Импульс света, испускаемый электронами в рентгеновском лазерном ондуляторе, попадает на образец материала с магнитными свойствами, рассеивается и образует дифракционное кольцо. Диаметр кольца зависит от среднего расстояния между магнитными доменами, и его интенсивность тем больше, чем сильнее намагниченность образца. Кредит: Источник: IFJ PAN

Когда материал с магнитными свойствами, построенный из правильно подобранных слоев, освещается импульсом рентгеновского лазера, он мгновенно размагничивается. Это явление, до сих пор малоизученное, в будущем может быть использовано в наноэлектронике, например, для создания сверхбыстрых магнитных переключателей. Важным шагом на пути к этой цели является новый инструмент моделирования, разработанный польско-немецко-итальянской группой ученых в рамках совместного исследовательского проекта Европейского XFEL и IFJ PAN.

Ни одно устройство обработки информации не может работать со скоростью, превышающей скорость, с которой происходят физические явления, лежащие в основе его работы. Вот почему физики продолжают искать явления, которые происходят во все более коротких пространственных и временных масштабах, но которыми можно относительно легко управлять. Одним из перспективных направлений исследований представляется процесс размагничивания ферромагнитных многослойных материалов, инициируемый сверхбыстрыми импульсами рентгеновского лазера.

Группа физиков из Польши, Германии и Италии, работающая на европейской установке XFEL и на установке DESY в Гамбурге, теперь может похвастаться значительным достижением в этой области: их исследование в npj Computational Materials представляет собой первый инструмент, который позволяет имитировать процесс размагничивания, вызванного рентгеновским излучением. Ученые из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове являются важной частью команды.

«В последние годы физики хорошо познакомились с процессами размагничивания, инициируемыми видимым или ближним инфракрасным светом. Однако когда дело доходит до воздействия более мощного рентгеновского излучения, мы все только делаем первые шаги. Вклад заключается в построении теоретической модели под названием XSPIN. С ее помощью впервые стало возможным смоделировать размагничивание в многослойных ферромагнитных материалах, подвергнутых воздействию фемтосекундных импульсов света от рентгеновского лазера», — говорит профессор Беата Зиаха. Мотыка (CFEL, DESY и IFJ PAN), который инициировал описанный исследовательский проект совместно с профессорами Александром Лихтенштейном (Гамбургский университет и Европейский XFEL) и Сергеем Молодцовым (Европейский XFEL).

Быстрое размагничивание в многослойных материалах было открыто в 1996 году и с тех пор привлекло внимание многих научных групп. В отсутствие оборудования, генерирующего адекватный рентгеновский свет, исследования в основном проводились с использованием видимого или инфракрасного света. Ситуация резко изменилась, когда в последнее десятилетие физики получили более широкий доступ к рентгеновским лазерам на свободных электронах (XFEL). Это связано с тем, что эти устройства способны генерировать импульсы рентгеновского излучения высокой интенсивности и продолжительности, исчисляемой фемтосекундами (т.е. квадриллионными долями секунды).

Благодаря им несколько лет назад было обнаружено, что рентгеновское размагничивание в многослойных материалах происходит значительно быстрее, чем под действием видимого или инфракрасного света. Однако последовательного теоретического описания, способного надежно моделировать процесс размагничивания, не было.

«XSPIN — это развитие более раннего инструмента моделирования, который мы разрабатывали более десяти лет для предсказания явлений, связанных с воздействием лазерных импульсов на материалы. Эта модель не различала ориентацию спина электрона в материалах и, следовательно, не описывают их магнитные свойства. Поэтому главная задача состояла в том, чтобы умело расширить модель, чтобы учесть поляризацию электронов», — говорит д-р Конрад Дж. Капча, профессор UAM (CFEL, DESY и UAM, Познань) и Д-р Виктор Ткаченко (IFJ PAN), первые авторы статьи.

Правильность нового инструмента была подтверждена путем сравнения его предсказаний с данными, собранными в одном из более ранних экспериментов, проведенных с использованием метода mSAXS на лазере на свободных электронах FERMI в Италии. В то время образец представлял собой материал, состоящий из 16 чередующихся слоев кобальта и платины, каждый толщиной всего один нанометр.

Энергия фотонов, испускаемых лазером ФЕРМИ, составляла 60 электронвольт. При взаимодействии с материалом рентгеновский свет рассеивался и образовывал за образцом дифракционное кольцо. Это кольцо является источником ценной информации — его диаметр зависит от среднего расстояния между магнитными доменами в материале, а его интенсивность тем больше, чем сильнее магнитные свойства образца.

«В анализируемом эксперименте дифракционное кольцо вело себя так, как предсказывает наша модель. Когда интенсивность света, освещающего образец, увеличивалась, его диаметр оставался постоянным, поэтому расположение магнитных доменов в материале не менялось. чем интенсивность падающего света, тем слабее кольцо было из-за происходящего размагничивания. Кроме того, измеренное время размагничивания составляло порядка 100 фемтосекунд, что также согласуется с нашим моделированием», — говорит доктор Пшемыслав Пекарц, профессор ИФЖ ПАН.

Согласие предсказаний модели с экспериментальными результатами означает, что у физиков впервые появился инструмент для контроля размагничивания, вызванного рентгеновским излучением. С помощью XSPIN теперь можно для конкретного многослойного материала регулировать параметры лазерных импульсов (их энергию, длительность и интенсивность) так, чтобы размагничивание происходило в пространственном и/или временном масштабе, заданном потребностями.

Модель XSPIN будет расширена и сопоставлена ​​с результатами дальнейших экспериментов с многослойными материалами, также содержащими ферромагнетики, отличные от кобальта, и освещенными фотонами со значительно более высокими энергиями. Ближайшей возможностью для дальнейшей проверки будут данные лазера LCLS в Стэнфорде, США, собранные в эксперименте с образцом, состоящим из 40 слоев кобальта и палладия и размагниченным фотонами с энергиями 780 эВ. Запланирован аналогичный эксперимент на европейском лазере XFEL.

Моделирование и измерения, проведенные до сих пор, заставляют ученых проявлять осторожный оптимизм. Появляется все больше признаков того, что в будущем размагничивание, вызванное рентгеновским излучением, действительно может быть использовано для создания наноэлектронных устройств следующего поколения. Первоначально к ним могли относиться, например, сверхбыстрые магнитные переключатели, управляемые лазерными импульсами. Другой потенциальной областью применения, по-видимому, является динамическая компьютерная память.

В этом контексте ключевую роль играют малоизученные процессы, связанные со временем восстановления размагниченных доменов до исходного состояния. Поэтому для адекватного глубокого понимания и описания этих процессов потребуются дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.