Если сильный лазерный импульс попадает на сплав железа, материал ненадолго плавится в точке облучения и образуется крошечная магнитная область.
Фото: HZDR / Сандер Мюнстер

Неожиданное открытие было сделано еще в 2018 году. Когда команда HZDR облучила тонкий слой железо-алюминиевого сплава ультракороткими лазерными импульсами, немагнитный материал внезапно стал магнитным.

Объяснение: лазерные импульсы перестраивают атомы в кристалле таким образом, что атомы железа сближаются друг с другом, образуя магнит. Затем исследователям удалось снова размагнитить слой серией более слабых лазерных импульсов. Это позволило им открыть способ создания и стирания крошечных «магнитных пятен» на поверхности.

Однако пилотный эксперимент все еще оставил некоторые вопросы без ответа. «Было неясно, проявляется ли этот эффект только в железо-алюминиевом сплаве или в других материалах», — объясняет физик HZDR доктор Рантей Бали. «Мы также хотели попробовать отслеживать ход процесса во времени». Для дальнейшего расследования он объединился с доктором Тео Пфлюгом из LHM и коллегами из Университета Сарагосы в Испании.

Раскладная книга с лазерными импульсами

Эксперты остановились конкретно на железо-ванадиевом сплаве. В отличие от железоалюминиевого сплава с регулярной кристаллической решеткой, атомы железованадиевого сплава расположены более хаотично, образуя аморфную стеклоподобную структуру. Чтобы наблюдать, что происходит при лазерном облучении, физики использовали специальный метод: метод накачки-зонда.

«Сначала мы облучаем сплав сильным лазерным импульсом, который намагничивает материал», — объясняет Тео Пфлюг. «Одновременно мы используем второй, более слабый импульс, который отражается от поверхности материала».

Анализ отраженного лазерного импульса дает представление о физических свойствах материала. Этот процесс повторяется несколько раз, при этом временной интервал между первым «накачивающим» импульсом и последующим «зондирующим» импульсом постоянно увеличивается.

В результате получают временной ряд данных отражения, позволяющий охарактеризовать процессы, запускаемые лазерным возбуждением. «Вся процедура аналогична созданию флип-книги», — говорит Пфлюг. «Аналогично, это серия отдельных изображений, которые оживляются при быстром просмотре».

Быстрое плавление

Результат: хотя он имеет другую атомную структуру, чем соединение железа с алюминием, сплав железа с ванадием также можно намагничивать с помощью лазера. «В обоих случаях материал ненадолго плавится в точке облучения», — объясняет Рантей Бали. «Это заставляет лазер стирать предыдущую структуру, так что в обоих сплавах создается небольшая магнитная область».

Обнадеживающий результат: по-видимому, это явление не ограничивается конкретной структурой материала, но может наблюдаться в различных атомных расположениях.

Команда также отслеживает временную динамику процесса: «По крайней мере, теперь мы знаем, в каких временных масштабах что-то происходит», — объясняет Тео Пфлуг. «В течение фемтосекунд лазерный импульс возбуждает электроны в материале. Несколько пикосекунд спустя возбужденные электроны передают свою энергию атомным ядрам».

Следовательно, эта передача энергии вызывает перестройку в магнитную структуру, которая стабилизируется последующим быстрым охлаждением. В последующих экспериментах исследователи стремятся наблюдать, как именно атомы перестраиваются, исследуя процесс намагничивания с помощью интенсивных рентгеновских лучей.

Взгляды на приложения

Хотя эта работа все еще находится на ранних стадиях, она уже дает первоначальные идеи для возможных применений: например, возможно размещение крошечных магнитов на поверхности чипа с помощью лазера. «Это может быть полезно для производства чувствительных магнитных датчиков, например тех, которые используются в транспортных средствах», — предполагает Рантей Бали. «Он также может найти возможное применение в магнитном хранении данных».

Кроме того, это явление представляется актуальным для нового типа электроники, а именно спинтроники. Здесь магнитные сигналы должны использоваться для цифровых вычислительных процессов вместо электронов, проходящих через транзисторы, как обычно, что предлагает возможный подход к компьютерным технологиям будущего.