Исследователи из центра HZDR (Helmholtz – Zentrum Dresden – Rossendorf) в Германии, в сотрудничестве с американскими коллегами, разработали новый метод, обеспечивающий возможность генерации или нейтрализации магнитных полей в заданном сплаве посредством мощного лазерного излучения. Обратимость данного процесса открывает значительный потенциал для применения в области технологий обработки материалов, оптических систем, а также в технологиях хранения данных. Долгое время сотрудники HZDR проводили исследования различных типов сплавов железа и алюминия и установили, что модификация атомарной структуры определенных опытных образцов таких сплавов вызывает существенные изменения в магнитных характеристиках материала. “Наш сплав обладает строго определенной сложной структурой.
В его объеме слои атомов железа чередуются со слоями атомов алюминия” – рассказывает Рэнтедж Бали (Rantej Bali), физик из HZDR, – “Когда лазерный свет воздействует на такой материал, атомы железа сближаются друг с другом и в этом месте материал начинает вести себя, как магнит”.
В своих исследованиях ученые использовали сильно фокусированный луч лазера, вырабатывающий импульсы света, длительностью 100 фемтосекунд. Первый импульс приводил к появлению в сплаве области, обладающей ферромагнитными свойствами. Второй импульс, имеющий меньшую интенсивность, но такую же длительность, разрушал магнитную область, созданную первым импульсом. Однако, импульс меньшей интенсивности “стирал” магнит лишь наполовину, т.е. в этом участке материала оставалась половина от уровня начальной намагниченности. Поэтому для полного стирания магнитной области потребовалась целая серия импульсов низкой интенсивности.
Данные эксперименты и наблюдения были проведены при помощи синхротрона Bessy II, вырабатывающего импульсы мягкого рентгеновского излучения, за счет которых работал микроскоп, способный проникать в толщину материала и изучать магнитные свойства исследуемых образцов.
Если немецкие физики были ответственны за проведение экспериментальной части исследований, то ученые из университета Вирджинии, США, разработали теоретическую базу и построили необходимые математические модели. Эти модели показали, что в среде сплава под воздействием лазерного света происходят весьма удивительные явления. Первый сверхкороткий лазерный импульс нагревает и расплавляет участок материала. Когда сплав охлаждается, он проходит через состояние так называемой “переохлажденной жидкости”, т.е. он находится еще в жидком состоянии при температуре ниже точки плавления материала. Атомы в этой жидкости перемещаются случайным образом и, когда материал затвердевает через несколько наносекунд, атомы железа так и остаются в случайных положениях, что придает материалу магнитные свойства.
Второй, более слабый, импульс лазерного света заставляет атомы занять определенное положение в виде упорядоченной кристаллической решетки. При этом, энергии лазерного света достаточно для того, чтобы атомы успели не только упорядочиться, но и обратно разделиться на слои атомов железа и алюминия.
В дальнейших экспериментах ученые планируют исследовать сплавы других материалов, попытаться использовать другие комбинации лучей лазерного света, которые позволят создавать магнитные области больших площадей с более четко выраженными границами.
Ферромагнитный материал научились изменять с помощью лазера
Сотрудники Университета ИТМО предложили использовать лазерное излучение для управления свойствами скирмионов – частицеподобных структур – в ферромагнитном материале. Скирмионы можно применять при проектировании менее энергозатратных, но более емких средств хранения и передачи информации. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), а их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Мы показали, что характерные линейные размеры, устойчивость и форму скирмиона можно контролировать с помощью внешнего электромагнитного поля, например, линейно поляризованного лазерного излучения – излучения, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в некотором направлении, перпендикулярном направлению распространения электромагнитного поля», – рассказал один из авторов статьи Дмитрий Юдин, руководитель проекта, PhD, научный сотрудник Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.
Авторы отмечают, что обнаруженный ими эффект может применяться в спинтронике (в данном случае – в скирмионике). Спинтроника как прикладное направление исследований зародилась в конце 1980-х годов как альтернатива зарядовой электронике. Использование спинового, а не зарядового тока для передачи и обработки информации является краеугольным камнем этой технологии. В устройствах молекулярной спинтроники битом информации является уже не домен, который состоит из множества молекул, а всего лишь одна молекула. Таким образом плотность записи информации повышается в 10-15 раз. Поэтому с помощью принципов спинтроники можно гораздо эффективнее записывать информацию на жесткие диски, создавать новые транзисторы, элементы логики и ячейки памяти.
В ходе работы авторы рассмотрели модель ферромагнитного материала, который представлял собой один слой однородного вещества. Магнитный порядок – это явление, при котором магнитные моменты (векторы) атомов в материале имеют строго определенные направления. Если все векторы направлены в одну сторону, такой порядок называют ферромагнитным, а материал – ферромагнетиком. К ферромагнитным материалам относятся, например, металлы кобальт (Co), никель (Ni) и гадолиний (Gd). Также существует антиферромагнитный порядок, при котором магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны. При этом ферромагнетики обладают намагниченностью даже в отсутствии внешнего магнитного поля, а антиферромагнетики таким свойством не обладают и поэтому считаются слабыми магнитами.
Изначально предполагалось, что в изучаемом слое отсутствует центр инверсии, то есть его внутренняя структура несимметрична относительно замены знаков всех координат на противоположные. Отсутствие центра инверсии приводит к появлению сильного спин-орбитального взаимодействия, то есть взаимодействия между движущейся частицей и ее собственным магнитным моментом, связанным с наличием у частицы спина — вращения частицы вокруг своей оси (но не перемещения ее как целого).
При сильном спин-орбитальном взаимодействии в магнитных материалах появляются сложные спиновые текстуры – скирмионы. Это конфигурации (скопления) магнитных моментов, которые частицей не являются, но по строению подобны ей. Они не принадлежат ни к ферромагнитному, ни к антиферромагнитному порядкам, потому что их магнитные моменты ни параллельны, ни антипараллельны. Скирмионы образуют комбинацию в виде диска с рядами спинов. В центре спин ы направлены вниз, а у краев — вверх. Все спины, находящиеся посередине, являются промежуточными состояниями: если взять по спину из каждого ряда и посмотреть на их расположение, то видно, что они описывают полный круг.
«Хорошо известно, что в магнитных материалах без центра инверсии возможно появление частицеподобных структур скирмионов. Последние могут найти широкое применение в проектируемых устройствах энергонезависимой памяти. В сравнении с устройствами на магнитных доменах в ферромагнитных материалах управление скирмионами как источниками информации требует существенно меньших пороговых значений тока. Использование же внешнего электромагнитного излучения, например, лазера, открывает широкие перспективы для возможности манипулировать отдельными скирмионами в ферромагнитных системах», — заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с ученым из Университета Неймегена (Нидерланды).
