Le développement futur de dispositifs magnétiques fonctionnels basés sur la manipulation optique ultrarapide des spins nécessite une compréhension de la dynamique des spins dépendant de la profondeur à travers les interfaces des hétérostructures magnétiques complexes. Une nouvelle technique pour obtenir une telle vue "en profondeur" et résolue dans le temps sur l'aimantation a maintenant été démontrée à l'Institut Max Born de Berlin, utilisant des impulsions de rayons X doux femtoseconde à large bande pour étudier l'évolution transitoire des profils de profondeur d'aimantation dans un système de couche mince magnétique.

Dans les technologies de l'information actuelles, les dispositifs magnétiques fonctionnels sont généralement constitués d'empilements de couches minces de matériaux magnétiques et non magnétiques, chacune d'une épaisseur d'environ un nanomètre seulement. L'empilement, le choix des espèces atomiques et les interfaces résultantes entre les couches sont la clé de la fonction particulière, par exemple comme réalisé dans les têtes de lecture à magnétorésistance géantes de tous les disques durs magnétiques. Au cours des dernières années, il a été démontré que les impulsions laser ultracourtes jusqu'à la gamme femtoseconde (1 femtoseconde =10 ^-15 s) peut manipuler efficacement et très rapidement l'aimantation d'un matériau, permettant un changement transitoire voire une inversion permanente de l'état d'aimantation. Bien que ces effets aient été principalement étudiés dans des systèmes modèles simples, les applications futures nécessiteront une compréhension de la dynamique de l'aimantation dans des structures plus complexes présentant une hétérogénéité à l'échelle nanométrique.

Des chercheurs du Max Born Institute de Berlin et leurs collègues du Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, du Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften et du Helmholtz-Zentrum Berlin ont maintenant démontré une nouvelle technique qui permet de résoudre l'évolution spatio-temporelle de la dynamique de spin induite par laser dans un complexe hétérostructure magnétique à l'échelle femto- et picoseconde. En utilisant des impulsions de rayons X doux ultracourtes d'une longueur d'onde d'environ 8 nanomètres générées par une source à large bande à l'échelle du laboratoire basée sur la génération d'harmoniques élevées (HHG), ils ont pu suivre le profil de profondeur de magnétisation évoluant dans un fer ferrimagnétique mince de 10 nanomètres. couche de gadolinium (FeGd) après avoir été frappée par une impulsion laser infrarouge femtoseconde (IR). La sensibilité de base à l'aimantation provient de l'effet Kerr magnéto-optique transversal (T-MOKE) qui conduit à une réflectivité dépendante de l'aimantation en combinaison avec une spécificité d'élément. Pour obtenir des informations de profondeur au sein de la structure, l'équipe a développé l'approche suivante :Lorsque la longueur d'onde du rayonnement est proche d'une résonance atomique, sa profondeur de pénétration dans le matériau change fortement. La distance à laquelle certaines composantes spectrales de l'impulsion de rayons X mous à large bande peuvent "regarder" dans le matériau dépend donc de leur longueur d'onde exacte. Par conséquent, cette information de profondeur peut être récupérée via les changements spectraux observés après réflexion. Le profil de magnétisation à chaque instant est déterminé en ajustant les spectres T-MOKE mesurés avec les spectres calculés obtenus à partir de simulations de diffusion magnétique.

Dans l'expérience, l'impulsion laser infrarouge courte de 27 femtosecondes déclenchant les changements de magnétisation était incidente sur la couche de tantale recouvrant la couche magnétique réelle de FeGd. Dans les premières centaines de femtosecondes, une démagnétisation homogène de la couche de FeGd a été observée. À leur grande surprise, cependant, les scientifiques ont découvert qu'à des instants ultérieurs d'environ une picoseconde, la réduction de l'aimantation due à l'impulsion laser était la plus forte du côté de la couche de FeGd qui ne faisait pas face à l'impulsion laser incidente. De manière transitoire, un profil d'aimantation inhomogène se forme, reflétant une démagnétisation améliorée à l'interface vers la fine couche de platine en dessous. Sur la base de l'échelle de temps de l'évolution du gradient d'aimantation, les processus microscopiques responsables ont pu être identifiés :contrairement aux attentes initiales, une influence significative due aux phénomènes de transport de spin ultrarapide à travers l'interface pourrait être exclue, car cela conduirait à des gradients d'aimantation déjà dans le premières centaines de femtosecondes. Au lieu de cela, l'effet observé est dû à l'injection de chaleur de la couche de platine enterrée dans la couche magnétique. Le platine absorbe l'impulsion laser IR beaucoup plus fortement que les autres couches de l'hétérostructure et agit donc comme une source de chaleur interne localisée.

L'approche démontrée par les chercheurs permet de suivre l'évolution des profils d'aimantation avec une résolution temporelle femtoseconde et spatiale nanométrique dans la profondeur jusqu'ici difficile d'accès d'un échantillon. Thus, it paves a way to testing fundamental theoretical predictions in ultrafast magnetism as well as studying laser-induced spin and heat transport phenomena in device-relevant geometries.

The research was published in Physical Review Research . + Explorer plus loin

All-optical switching on a nanometer scale