Grundlegende räumliche Grenzen der volloptischen Magnetisierungsschaltung
Physik-News vom 01.07.2024
Die Umschaltung der Magnetisierung eines Materials ist durch einen einzelnen Laserpuls möglich. Allerdings ist unklar, ob der dahinterliegende mikroskopische Prozess auf die Nanometer-Skala übertragbar ist – eine notwendige Bedingung, um diese Technik für zukünftige Speichermedien konkurrenzfähig zu gestalten. Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin, in Kooperation mit Kollegen vom Instituto de Ciencia de Materiales in Madrid und der Freie-Elektronen-Laseranlage FERMI in Triest, haben eine fundamentale räumliche Begrenzung für die durch Licht bewirkte Umkehr der Magnetisierung festgestellt.
Die Umschaltung der Magnetisierung eines Materials ist durch einen einzelnen Laserpuls möglich. Allerdings ist unklar, ob der dahinterliegende mikroskopische Prozess auf die Nanometer-Skala übertragbar ist – eine notwendige Bedingung, damit diese Technik für zukünftige Speichermedien konkurrenzfähig ist. Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin, in Kooperation mit Kollegen vom Instituto de Ciencia de Materiales in Madrid und der Freie-Elektronen-Laseranlage FERMI in Triest, haben eine fundamentale räumliche Grenze für die durch Licht bewirkte Umkehr der Magnetisierung festgestellt.
Publikation:
Felix Steinbach, Unai Atxitia, Kelvin Yao et al.
Exploring the Fundamental Spatial Limits of Magnetic All-Optical Switching
Nano Lett. 2024, 24, 23, 6865–6871
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00129
Moderne magnetische Festplatten sind in der Lage, mehr als ein Terabit Daten pro Quadratzoll zu speichern, was die Kodierung der kleinsten Informationseinheit auf einer Fläche von weniger als 25 Nanometern mal 25 Nanometern ermöglicht. Bei der laserbasierten, rein optischen Umschaltung (AOS) werden magnetisch kodierte Bits mit einem einzigen ultrakurzen Laserpuls zwischen den Zuständen "0" und "1" gewechselt. Um das volle Potenzial von AOS zu nutzen, vor allem für schnellere Schreib- und Löschzyklen sowie verbesserte Energieeffizienz, ist es entscheidend zu verstehen, ob ein magnetisches Bit auch bei Nanometergröße noch vollständig optisch umgeschaltet werden kann.
Für das Stattfinden von AOS muss magnetisches Material stark erhitzt werden, um seine Magnetisierung nahezu auf Null zu bringen. Erst dann ist eine Umkehrung der Magnetisierung möglich. Der Schlüssel zu AOS liegt darin, dass es genügt, lediglich die Elektronen des Materials zu erhitzen, während das Atomkerngitter kalt bleibt. Genau dies erreicht ein optischer Laserpuls: Er interagiert nur mit den Elektronen und erzielt so mit minimaler Leistung hohe Elektronentemperaturen. Da heiße Elektronen durch Wechselwirkung mit den kalten Atomkernen schnell abkühlen, muss die Magnetisierung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne schnell genug reduziert werden. AOS basiert also auf einem fein abgestimmten Gleichgewicht zwischen der Erhöhung der Elektronentemperatur und der Reduzierung der Magnetisierung.
Dieses Gleichgewicht verschiebt sich, wenn die optische Anregung auf Nanoskala begrenzt ist: Elektronen können dann ihre Energie nicht nur durch Streuung an Atomkernen verlieren, sondern auch durch Diffusion aus den winzigen heißen Bereichen entweichen. Da sie dabei nur eine sehr kurze Distanz zurücklegen, geschieht dieser Prozess ebenfalls sehr schnell, was dazu führen kann, dass die Elektronen zu schnell abkühlen, die Magnetisierung nicht genügend reduziert wird und somit AOS nicht erfolgen kann.
Ein internationales Forscherteam hat es erstmals geschafft, durch eine Kombination aus Experimenten mit weicher Röntgenstrahlung und Berechnungen an Atomen die Frage zu klären, wie klein die all-optische Umschaltung (AOS) noch funktionieren kann. Sie schufen ein extrem kurzlebiges Muster aus dunklen und hellen Streifen des Laserlichts auf der Oberfläche der Probe aus dem magnetischen Material GdFe, indem sie zwei Röntgenlaserpulse zur Interferenz brachten. So ließ sich der Abstand zwischen den dunklen und hellen Bereichen auf nur 8,7 Nanometer verringern. Diese Beleuchtung, die nur etwa 40 Femtosekunden anhält, bewirkt eine laterale Modulation der Elektronentemperatur im GdFe, was zu einem Verlust der lokalen Magnetisierung führt.
Die Wissenschaftler konnten beobachten, wie sich dieses Muster auf den relevanten, sehr kurzen Zeitskalen entwickelt. Hierfür wurde ein dritter Röntgenlaserpuls mit einer Wellenlänge von 8,3 Nanometern zu verschiedenen Zeiten an dem transienten Magnetisierungsmuster gebeugt. Dank dieser spezifischen Wellenlänge ermöglicht eine elektronische Resonanz in den Gadoliniumatomen, dass der Röntgenpuls die Magnetisierung „fühlt“ und so die Veränderung der Magnetisierung mit einer zeitlichen Auflösung im Bereich von Femtosekunden und einer räumlichen Auflösung im Sub-Nanometerbereich detektieren kann.
Indem sie experimentelle Ergebnisse mit fortschrittlichen Simulationen kombinierten, konnten Wissenschaftler den nanoskaligen und ultraschnellen Energietransport ermitteln. Sie entdeckten, dass die minimale Größe für all-optical switching (AOS) in GdFe-Legierungen, induziert durch periodische Anregung im Nanobereich, bei etwa 25 Nanometern liegt. Diese Begrenzung resultiert aus der ultraschnellen seitlichen Elektronendiffusion, welche die beleuchteten Bereiche auf diesen kleinen Skalen rasch abkühlt und somit das Umschalten der "Bits" blockiert. Eine schnellere Abkühlung durch Elektronendiffusion kann durch Erhöhung der Anregungsenergie teilweise ausgeglichen werden, jedoch ist dieser Ansatz durch die beginnende strukturelle Beschädigung des Materials durch den intensiven Laserstrahl limitiert. Daher schließen die Forscher, dass die 25-Nanometer-Grenze für alle metallischen magnetischen Materialien gilt.
Diese Newsmeldung wurde mit Material des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V. via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
