Limites espaciais fundamentais da comutação de magnetização totalmente óptica

A magnetização pode ser alterada com um único pulso de laser. No entanto, não se sabe se o processo microscópico subjacente é escalável para a escala de comprimento nanométrica, um pré-requisito para tornar esta tecnologia competitiva para futuras aplicações de armazenamento de dados.

Pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim, Alemanha, em colaboração com colegas do Instituto de Ciência de Materiales em Madrid, Espanha, e da instalação de laser de elétrons livres FERMI em Trieste, Itália, determinaram um limite espacial fundamental para a energia movida pela luz. reversão de magnetização. O artigo está publicado na revista Nano-letras.

Os discos rígidos magnéticos modernos podem armazenar mais de um terabit de dados por polegada quadrada, o que significa que a menor unidade de informação pode ser codificada em uma área menor que 25 nanômetros por 25 nanômetros. Na comutação totalmente óptica (AOS) baseada em laser, os bits codificados magneticamente são alternados entre seus estados “0” e “1” com um único pulso de laser ultracurto. Para aproveitar todo o potencial do AOS, particularmente em termos de ciclos de gravação/apagamento mais rápidos e maior eficiência energética, é preciso entender se um bit magnético ainda pode ser revertido totalmente opticamente se seu tamanho estiver na escala nanométrica.

Para que a AOS ocorra, o material magnético deve ser aquecido a temperaturas muito altas para que sua magnetização seja reduzida para perto de zero. Só então a sua magnetização pode ser revertida. A diferença no AOS é que, para mediar a comutação magnética, é suficiente aquecer apenas os elétrons do material, deixando a rede dos núcleos atômicos fria. Isto é exatamente o que um pulso de laser óptico faz: ele interage apenas com os elétrons, permitindo atingir temperaturas de elétrons muito mais altas com níveis de potência muito baixos.

No entanto, como os elétrons quentes esfriam muito rapidamente por espalhamento com os núcleos atômicos frios, a magnetização deve ser reduzida suficientemente rápido dentro dessa escala de tempo característica, ou seja, o AOS depende de um equilíbrio cuidadoso entre a evolução da temperatura do elétron e a perda de magnetização. É fácil ver que esse equilíbrio é alterado quando a excitação óptica é confinada à nanoescala: agora os elétrons não só podem perder energia “dando um chute nos núcleos atômicos”, mas também podem simplesmente deixar as pequenas regiões quentes nanométricas por difusão.

Como eles só precisam percorrer uma distância nanométrica para fazer isso, esses processos também acontecem em uma escala de tempo ultrarrápida, de modo que os elétrons podem esfriar muito rapidamente, a magnetização não é suficientemente diminuída e o AOS quebra.

Uma equipe internacional de pesquisadores abordou com sucesso pela primeira vez a questão de “quão pequeno o AOS funciona” combinando experimentos com raios X suaves com cálculos de dinâmica de spin atomístico. Eles produziram um padrão de vida extremamente curta de listras escuras e brilhantes de luz laser na superfície da amostra do material magnético prototípico GdFe, por interferência de dois pulsos de laser de raios X suaves com um comprimento de onda de 8,3 nm.

Isso permitiu reduzir a distância entre as áreas escuras e claras para apenas 8,7 nm. Esta iluminação está presente apenas por cerca de 40 femtossegundos, levando a uma modulação lateral das temperaturas dos elétrons quentes e frios no GdFe com uma correspondente perda localizada de magnetização.

Os cientistas poderiam então acompanhar como este padrão evolui nas escalas de tempo muito curtas que são relevantes. Para este fim, um terceiro pulso de raios X suave com o mesmo comprimento de onda de 8,3 nm foi difratado do padrão de magnetização transiente em diferentes atrasos de tempo dos pulsos geradores de padrão.

Neste comprimento de onda específico, uma ressonância eletrônica nos átomos de gadolínio permite que o pulso suave de raios X “sinta” a presença de magnetização e, assim, a mudança da magnetização pode ser detectada com resolução temporal de femtossegundos e espacial subnanométrica. Combinando os resultados experimentais com simulações de última geração, os pesquisadores puderam determinar o transporte ultrarrápido de energia em escala nanométrica.

Acontece que o tamanho mínimo para AOS em ligas de GdFe, induzido por excitação periódica em nanoescala, é em torno de 25 nm. Este limite é devido à difusão lateral ultrarrápida de elétrons, que resfria rapidamente as regiões iluminadas nessas pequenas escalas de comprimento e, em última análise, evita a AOS.

O resfriamento mais rápido devido à difusão de elétrons pode ser compensado até certo ponto pelo aumento do poder de excitação, mas esta abordagem é limitada pelo dano estrutural causado pelo intenso feixe de laser. Os pesquisadores esperam que o limite de 25 nm seja bastante universal para todos os materiais magnéticos metálicos.