Переходная доменная граница вызывает сверхбыстрое перемагничивание
В области сверхбыстрого магнетизма изучается, как вспышки света могут изменять намагниченность материала за триллионные доли секунды. В процессе, называемом полностью оптическим переключением (AOS), один лазерный импульс длительностью в несколько фемтосекунд (≈10⁻⁴⁴ секунд) переворачивает крошечные магнитные области без необходимости внешнего магнитного поля. До сих пор считалось, что процесс переключения происходит равномерно в магнитном материале везде, где лазерный импульс выделяет достаточное количество энергии. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, учёные из Института Макса Борна совместно с коллегами из Берлина и Нанси показали, что это не так. Вместо этого происходит сверхбыстрое распространение границы намагниченности вглубь материала.
Рис. Схематическая иллюстрация экспериментального подхода. Фото: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)
Комбинируя ультракороткое инфракрасное (ИК) возбуждение с фемтосекундной мягкой рентгеновской спектроскопией, установленной на столе, учёные исследовали тонкую плёнку гадолиния-кобальта (GdCo) толщиной 9,4 нм в типичной стопке со слоями платины и меди сверху и слоем тантала снизу. Используя широкополосное рентгеновское излучение, настроенное на атомный резонанс редкоземельного атома Gd, они применили недавно разработанную в MBI методику, позволяющую отслеживать изменения намагниченности по глубине образца во времени. Результатом является видеозапись изменения намагниченности по глубине плёнки с фемтосекундным временным разрешением.
Видео. Анимация динамики переключения намагниченности с разрешением по глубине (цветная карта), сравнивающая возбуждение ниже (5,0 мДж/см²) и выше (6,0 мДж/см²) порогового потока для полностью оптического переключения намагниченности всего слоя Gd25Co75 . Источник: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63571-3
Расшифровка фидео показала, что сразу после прибытия инфракрасного импульса длительностью 27 фемтосекунд весь слой GdCo сначала нагревается, и его намагниченность падает почти равномерно, в соответствии с традиционными представлениями. Но через две пикосекунды появляются два домена с противоположной намагниченностью: верхняя область, получающая дополнительный импульс от более сильно нагретого слоя платины, расположенного поверх GdCo, переворачивается первой, в то время как направление намагниченности нижней области остаётся неизменным. Образуется граница между этими двумя доменами, которая затем распространяется вниз со скоростью около 2000 м/с, охватывая весь слой GdCo примерно за 4,5 пс.
В частности, только слой GdCo, примыкающий к поверхности, изначально возбуждается достаточно сильно, чтобы преодолеть порог, необходимый для AOS; тем не менее, переключение происходит успешно, поскольку остальная часть пленки следует за ним из-за распространяющейся границы.
Это открытие заставляет переосмыслить AOS как комбинацию локальных и нелокальных процессов. Движущаяся граница, возможно, обусловленная сочетанием обмена угловым моментом между коммутируемыми и некоммутируемыми областями и тепловыми градиентами в гетероструктуре, возникающими в течение сверхкороткого промежутка времени, в конечном итоге определяет как скорость переключения, так и конечное магнитное состояние.
В перспективе эти идеи открывают новые пути для разработки магнитных устройств, активируемых светом. Выбирая различные окружающие слои, а также изменяя толщину и состав плёнки, можно контролировать место зарождения границы и скорость её движения. Такая свобода проектирования может позволить создавать быстрые и энергоэффективные элементы памяти и логики, использующие перемагничивание под действием света.
