Limites spatiales fondamentales de la commutation de magnétisation tout optique

La magnétisation peut être commutée avec une seule impulsion laser. Cependant, on ne sait pas si le processus microscopique sous-jacent est évolutif à l’échelle nanométrique, condition préalable pour rendre cette technologie compétitive pour les futures applications de stockage de données.

Des chercheurs de l’Institut Max Born de Berlin, en Allemagne, en collaboration avec des collègues de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, en Espagne, et de l’installation laser à électrons libres FERMI à Trieste, en Italie, ont déterminé une limite spatiale fondamentale pour les lasers à électrons libres FERMI à Trieste, en Italie. inversion de l’aimantation. L’article est publié dans la revue Lettres nano.

Les disques durs magnétiques modernes peuvent stocker plus d’un térabit de données par pouce carré, ce qui signifie que la plus petite unité d’information peut être codée sur une surface inférieure à 25 nanomètres par 25 nanomètres. Dans la commutation entièrement optique par laser (AOS), les bits codés magnétiquement sont commutés entre leur état « 0 » et « 1 » à l’aide d’une seule impulsion laser ultracourte. Pour exploiter pleinement le potentiel de l’AOS, notamment en termes de cycles d’écriture/effacement plus rapides et d’amélioration de l’efficacité énergétique, il faut comprendre si un bit magnétique peut encore être inversé entièrement optiquement si sa taille est à l’échelle nanométrique.

Pour que l’AOS ait lieu, le matériau magnétique doit être chauffé à des températures très élevées afin que sa magnétisation soit réduite à près de zéro. Ce n’est qu’alors que sa magnétisation pourra être inversée. Le problème de l’AOS est que pour assurer la commutation magnétique, il suffit de chauffer uniquement les électrons du matériau tout en laissant froid le réseau des noyaux atomiques. C’est exactement ce que fait une impulsion laser optique : elle interagit uniquement avec les électrons, permettant d’atteindre des températures électroniques beaucoup plus élevées avec des niveaux de puissance très faibles.

Cependant, comme les électrons chauds se refroidissent très rapidement par diffusion avec les noyaux atomiques froids, l’aimantation doit être réduite suffisamment rapidement dans cette échelle de temps caractéristique, c’est-à-dire que l’AOS repose sur un équilibre minutieux entre l’évolution de la température électronique et la perte d’aimantation. Il est facile de voir que cet équilibre est modifié lorsque l’excitation optique est confinée à l’échelle nanométrique : désormais, les électrons peuvent non seulement perdre de l’énergie en « donnant un coup de pied aux noyaux atomiques », mais ils peuvent aussi simplement quitter les régions chaudes de taille nanométrique en diffusant loin.

Comme ils n’ont qu’à parcourir une distance nanométrique pour ce faire, ce processus se produit également sur une échelle de temps ultra-rapide, de sorte que les électrons peuvent refroidir trop rapidement, la magnétisation n’est pas suffisamment diminuée et l’AOS se brise.

Une équipe internationale de chercheurs a pour la première fois abordé avec succès la question de savoir « quelle est la taille de l’AOS » en combinant des expériences avec des rayons X mous avec des calculs de dynamique de spin atomistique. Ils ont produit un motif extrêmement éphémère de bandes sombres et lumineuses de lumière laser sur la surface de l’échantillon du matériau magnétique prototypique GdFe, par interférence de deux impulsions laser à rayons X doux d’une longueur d’onde de 8,3 nm.

Cela a permis de réduire la distance entre les zones sombres et claires à seulement 8,7 nm. Cette illumination n’est présente que pendant environ 40 femtosecondes, conduisant à une modulation latérale des températures des électrons chauds et froids dans le GdFe avec une perte localisée correspondante de magnétisation.

Les scientifiques ont ensuite pu suivre l’évolution de ce modèle sur des échelles de temps très courtes, ce qui est pertinent. À cette fin, une troisième impulsion de rayons X mous de la même longueur d’onde de 8,3 nm a été diffractée du modèle de magnétisation transitoire à des délais différents des impulsions génératrices de modèle.

À cette longueur d’onde particulière, une résonance électronique au niveau des atomes de gadolinium permet à l’impulsion de rayons X doux de « ressentir » la présence de magnétisation et ainsi le changement de magnétisation peut être détecté avec une résolution temporelle femtoseconde et spatiale inférieure au nanomètre. En combinant les résultats expérimentaux avec des simulations de pointe, les chercheurs ont pu déterminer le transport d’énergie ultrarapide à l’échelle nanométrique.

Il s’avère que la taille minimale de l’AOS dans les alliages GdFe, induite par une excitation périodique à l’échelle nanométrique, est d’environ 25 nm. Cette limite est due à la diffusion latérale ultrarapide des électrons, qui refroidit rapidement les régions éclairées sur ces minuscules échelles de longueur et empêche finalement l’AOS.

Le refroidissement plus rapide dû à la diffusion électronique peut être compensé dans une certaine mesure en augmentant la puissance d’excitation, mais cette approche est finalement limitée par les dommages structurels provoqués par le faisceau laser intense. Les chercheurs s’attendent à ce que la limite de 25 nm soit plutôt universelle pour tous les matériaux magnétiques métalliques.