а) интенсивность дифракции первого и второго порядков в зависимости от временной задержки между накачивающим и зондирующим пучками. c) Отношение интенсивностей между вторым и первым порядками дифракции (R21) в зависимости от плотности энергии возбуждения при задержке 50 пс. При флюенсе 1,3 усл. г) Отношение R21 для высокой плотности энергии возбуждения (красные кружки) демонстрирует большое и постоянное отношение, которое мы идентифицируем как появление стабильных магнитных структур и, следовательно, как дополнительное свидетельство АОС в нанометровом пространственном масштабе. Предоставлено: Институт Макса Борна.

Физика оптически управляемой динамики намагниченности в фемтосекундном временном масштабе представляет большой интерес по двум основным причинам: во-первых, для более глубокого понимания фундаментальных механизмов неравновесной сверхбыстрой спиновой динамики и, во-вторых, для потенциального применения в следующем поколении информационных технологий с видением удовлетворения потребности как в более быстрых, так и в более энергоэффективных устройствах хранения данных.

Полностью оптическая коммутация(AOS) является одним из наиболее интересных и многообещающих механизмов для этого начинания, где состояние намагниченности может быть изменено между двумя направлениями с помощью одного фемтосекундного лазерного импульса, выступающего в роли «0» и «1». В то время как понимание временного контроля AOS быстро прогрессировало, знания о явлениях сверхбыстрого переноса в наномасштабе, важных для реализации полностью оптического обращения магнитного поля в технологических приложениях, оставались ограниченными из-за ограничений длины волны оптического излучения. Элегантным способом преодоления этих ограничений является уменьшение длины волны до крайнего ультрафиолетового (XUV) спектрального диапазона в экспериментах с переходными решетками.

Теперь исследователи из Института Макса Борна в Берлине и установки ЛСЭ FERMI возбудили переходную магнитную решетку (TMG) с периодичностью ΛTMG = 87 нм в образце ферримагнитного сплава GdFe. Пространственная эволюция решетки намагниченности исследовалась путем дифракции третьего импульса XUV с задержкой по времени, настроенного на N-край Gd на длине волны 8,3 нм (150 эВ). Поскольку AOS демонстрирует сильно нелинейный отклик на возбуждение, можно ожидать характерных изменений симметрии эволюционирующей магнитной решетки, отличных от исходной синусоидальной картины возбуждения. Эта информация напрямую закодирована в дифракционной картине .: в случае линейного отклика намагниченности на возбуждение и отсутствия АОС индуцируется синусоидальная ТМГ и подавляется второй порядок дифракции. Однако, если происходит AOS, форма решетки изменяется, что теперь позволяет получить ярко выраженную интенсивность дифракции второго порядка. Другими словами, исследователи определили соотношение интенсивностей между вторым и первым порядками (R21) как отпечаток пальца, наблюдаемый для AOS в экспериментах по дифракции.

На изображении выше а) и б) показано изменение во времени дифрагированных интенсивностей первого и второго порядка соответственно. Исследователи обнаружили сравнимые времена затухания τRE,first = (81 ± 7) пс и τRE,second = (90 ± 24) пс, что согласуется со скоростями боковой диффузии тепла наноразмерных решеток. c) показывает отношение R21 как функцию плотности энергии возбуждения при постоянной задержке накачки-зонда 50 пс. При низкой плотности потока энергии ниже порога AOS исследовательская группа наблюдала постоянное и небольшое значение R21 около 1%. Однако при увеличении возбуждения R21 демонстрирует устойчивый рост до ~ 8%, что является первым свидетельством AOS в нанометровом масштабе. Отношение R21 как функция времени показано в d) для двух выбранных плотностей энергии возбуждения. Для большего флюенса (красные кружки) R21 демонстрирует повышенное и постоянное отношение около 6% в течение измеренного интервала времени 150 пс, что указывает на стабильную магнитную структуру, которая интерпретируется как оптически обращенные домены, т.е. AOS. Наконец, исследователи смогли подтвердить свои наблюдения дополнительными полностью оптическими измерениями вреальное пространство с помощью микроскопии Фарадея с временным разрешением.

Ожидается, что в будущих экспериментах с переходными решетками со значительно меньшей периодичностью до <20 нм процессы сверхбыстрого латерального переноса будут уравновешивать градиенты возбуждения в течение нескольких пикосекунд и, следовательно, определят фундаментальные пространственные ограничения AOS.

Исследование было опубликовано в Nano Letters.