Ciclos acelerados de escritura/borrado con conmutación de magnetización puramente óptica

(Noticias de Nanowerk) Según una estimación de IBM, la producción diaria de información digital supera actualmente los 2,5 billones de bytes (equivalentes a unos 50 millones de discos Blu-ray de doble capa que se apilarían a 60 km de altura) y sigue creciendo a un ritmo vertiginoso.

La gran mayoría de estos datos se almacenan magnéticamente, con un bit binario, 0 o 1, que corresponde a direcciones opuestas de magnetización, y ahora normalmente se escriben o borran mediante electroimanes impulsados ​​por corriente.

Debido a que este proceso tiene limitaciones fundamentales en términos de velocidad y eficiencia energética, el descubrimiento de la conmutación totalmente óptica (AOS), que hace posible establecer la dirección de magnetización con solo pulsos de luz y, por lo tanto, escribir o borrar un bit magnético. está siendo aclamado como un enfoque nuevo y emocionante para la futura tecnología de almacenamiento de datos.

Se ha observado AOS en materiales magnéticos que contienen elementos de tierras raras y metales de transición, como las aleaciones ferrimagnéticas de GdFe. Aquí, la excitación óptica con pulsos de láser de femtosegundo conduce a un calentamiento muy rápido de los electrones muy por encima de la temperatura de Curie y la correspondiente pérdida de magnetización dentro del material magnético.

El intercambio de momento angular de espín entre los dos elementos Gd y Fe puede favorecer una inversión de magnetización de la respectiva magnetización. Es importante destacar que la temperatura de la red atómica aumenta solo muy moderadamente, lo que hace que AOS sea intrínsecamente eficiente desde el punto de vista energético.

Si bien este proceso se ha estudiado ampliamente tanto teórica como experimentalmente, se sabe poco sobre las frecuencias máximas de los ciclos de escritura/borrado que utilizan pulsos láser posteriores, que son fundamentales para el éxito de AOS en dispositivos de datos futuros.

Los científicos del Instituto Max Born y la Freie Universität Berlin siguieron dos estrategias para minimizar la separación temporal de dos pulsos láser de femtosegundos consecutivos para cambiar la dirección de magnetización fuera del plano de tales aleaciones de metales de transición de tierras raras (letras de fisica aplicada«Aceleración de ciclos de escritura/borrado de doble pulso totalmente ópticos en ferrimagnetos metálicos»).

Primero, al cambiar sistemáticamente las tasas de transferencia de calor utilizando sustratos de vidrio amorfo, silicio cristalino o diamante policristalino debajo de la aleación, se demostró que las tasas de enfriamiento eficientes del sistema magnético son un requisito previo para acelerar la secuencia del ciclo de escritura/borrado. Fig. 1. Dinámica de conmutación ultrarrápida de una aleación de GdFe y GdCo que muestra la magnetización en función del tiempo después del pulso láser. La escala del eje de tiempo es lineal hasta 10 ps y logarítmica para tiempos posteriores. La relajación a un estado magnético invertido se acelera fuertemente en GdCo, donde después de 5 ps la magnetización ya se ha recuperado a M(5ps)/M(t < 0) ∼ -0.6. Para lograr el mismo valor, se necesitan ~200 ps en GdFe. b) y c) Imágenes magneto-ópticas en el estado final después de la excitación de doble pulso con un espaciado de pulso a pulso de Δt12=7ps en GdCo. Las áreas claras y oscuras corresponden a direcciones opuestas de magnetización. A fluencias bajas del segundo pulso, el estado magnético escrito por el primer pulso permanece sin cambios, mientras que a fluencias más altas del segundo pulso, el bit magnético se borra. Esto representa el ciclo de escritura/borrado de información magnética más rápido informado en la literatura. La barra de escala en b) corresponde a 10 µm.

En segundo lugar, y lo que es más importante, la sustitución del metal de transición hierro por cobalto dio como resultado una recuperación mucho más rápida de la magnetización (conmutada) tras la excitación óptica. La comparación de la dinámica de magnetización ultrarrápida de una aleación de GdFe y GdCo después de la excitación de un solo pulso se muestra en la Fig. 1a). Mientras que la desmagnetización inicial es muy similar, la tasa de relajación a un estado magnético invertido es muy diferente. Mientras que GdCo remagnetiza su magnetización al 60% en 5 ps, el mismo valor solo se alcanza después de unos 200 ps con GdFe.

Los investigadores atribuyeron esta observación a la mayor interacción de intercambio Co-Co frente a Fe-Fe que conduce a un ordenamiento magnético más rápido de la subred de metales de transición.

Los resultados respectivos de los experimentos de doble pulso para GdCo se muestran en la Fig. 1b y c: Las imágenes magneto-ópticas muestran la dirección de magnetización opuesta del estado final para un espaciado de pulso a pulso de solo Δt12=7 caballos de fuerza. En b) la fluencia del segundo pulso F2 no es suficiente para influir en la magnetización establecida por el primer pulso. En c) se aumenta F2 y la magnetización se vuelve a conmutar con éxito. Según el conocimiento del equipo, esto representa la secuencia de inversión de magnetización más rápida hasta la fecha y se acerca a tasas de repetición de terahercios para ciclos de escritura/borrado de bits magnéticos.