Управление магнетизмом материалов на сверхбыстрых временных шкалах представляет собой фундаментальную научную задачу и ключ к созданию магнитной памяти нового поколения со сверхвысокой скоростью записи. Основная сложность заключается в генерации и наблюдении изменений магнитного поля, происходящих быстрее, чем время отклика самого материала. Исследователи из Института структуры и динамики материи им. Макса Планка (MPSD) предложили решение этой проблемы, о чем сообщили в журнале Nature Photonics.
Команда под руководством Андреа Каваллери, с Джованни Де Векки в качестве ведущего автора, разработала инновационный метод генерации сверхбыстрых скачков магнитного поля. В основе метода лежит специально созданное сверхпроводящее устройство, способное производить эти уникальные магнитные импульсы.
Механизм генерации начинается с тонкого диска из сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇, помещенного во внешнее магнитное поле. В ответ на поле в сверхпроводнике естественным образом возникают сверхтоки, которые выталкивают магнитное поле из его объема – это известное свойство сверхпроводников.
Ключевой этап заключается в резком и быстром прерывании (гашении) этих сверхтоков. Для этого исследователи, включая Грегора Йотцу, Микеле Буцци и Себастьяна Фава, использовали сверхкороткие лазерные импульсы. Облучение сверхпроводника лазером мгновенно нарушает сверхпроводящее состояние, что приводит к коллапсу сверхтоков.
В результате этого процесса генерируются сверхбыстрые, однополярные скачки магнитного поля. Характерное время нарастания такого магнитного импульса составляет порядка одной пикосекунды (одной триллионной доли секунды), в то время как время его спада измеряется наносекундами и более.
Для точного измерения столь быстро меняющегося магнитного поля была разработана высокочувствительная методика. Рядом со сверхпроводящим образцом размещался специальный кристалл-«наблюдатель», оптические свойства которого зависят от локального магнитного поля.
Изменение магнитного поля отслеживалось в реальном времени с помощью зондирующего фемтосекундного лазерного импульса. Проходя через кристалл-«наблюдатель», поляризация зондирующего импульса изменялась пропорционально локальному магнитному полю. Анализ вращения плоскости поляризации позволил восстановить временную динамику магнитного поля с беспрецедентным временным разрешением, достигающим субпикосекундного уровня.
Успешная генерация и прецизионное измерение пикосекундных магнитных скачков представляют собой значительный прорыв. Создан универсальный сверхбыстрый стимул, потенциально способный переключать любые магнитные материалы между их стабильными состояниями.
Это открывает новые горизонты как для фундаментальной науки, в частности для изучения неравновесных состояний вещества, так и для технологий. Возможность сверхбыстрого управления магнетизмом является критически важной для разработки следующего поколения устройств магнитной памяти.
Несмотря на достигнутый успех, создаваемые в настоящее время магнитные скачки пока не обеспечивают полного перемагничивания образцов. Дальнейшая работа будет сосредоточена на оптимизации геометрии сверхпроводящего устройства для увеличения амплитуды и скорости магнитных переходных процессов.
В перспективе, усовершенствованная технология позволит не только полностью переключать параметры магнитного порядка, но и управлять фазовыми переходами в материалах на сверхбыстрых временных шкалах.
Команда под руководством Андреа Каваллери, с Джованни Де Векки в качестве ведущего автора, разработала инновационный метод генерации сверхбыстрых скачков магнитного поля. В основе метода лежит специально созданное сверхпроводящее устройство, способное производить эти уникальные магнитные импульсы.
Механизм генерации начинается с тонкого диска из сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇, помещенного во внешнее магнитное поле. В ответ на поле в сверхпроводнике естественным образом возникают сверхтоки, которые выталкивают магнитное поле из его объема – это известное свойство сверхпроводников.
Ключевой этап заключается в резком и быстром прерывании (гашении) этих сверхтоков. Для этого исследователи, включая Грегора Йотцу, Микеле Буцци и Себастьяна Фава, использовали сверхкороткие лазерные импульсы. Облучение сверхпроводника лазером мгновенно нарушает сверхпроводящее состояние, что приводит к коллапсу сверхтоков.
В результате этого процесса генерируются сверхбыстрые, однополярные скачки магнитного поля. Характерное время нарастания такого магнитного импульса составляет порядка одной пикосекунды (одной триллионной доли секунды), в то время как время его спада измеряется наносекундами и более.
Для точного измерения столь быстро меняющегося магнитного поля была разработана высокочувствительная методика. Рядом со сверхпроводящим образцом размещался специальный кристалл-«наблюдатель», оптические свойства которого зависят от локального магнитного поля.
Изменение магнитного поля отслеживалось в реальном времени с помощью зондирующего фемтосекундного лазерного импульса. Проходя через кристалл-«наблюдатель», поляризация зондирующего импульса изменялась пропорционально локальному магнитному полю. Анализ вращения плоскости поляризации позволил восстановить временную динамику магнитного поля с беспрецедентным временным разрешением, достигающим субпикосекундного уровня.
Успешная генерация и прецизионное измерение пикосекундных магнитных скачков представляют собой значительный прорыв. Создан универсальный сверхбыстрый стимул, потенциально способный переключать любые магнитные материалы между их стабильными состояниями.
Это открывает новые горизонты как для фундаментальной науки, в частности для изучения неравновесных состояний вещества, так и для технологий. Возможность сверхбыстрого управления магнетизмом является критически важной для разработки следующего поколения устройств магнитной памяти.
Несмотря на достигнутый успех, создаваемые в настоящее время магнитные скачки пока не обеспечивают полного перемагничивания образцов. Дальнейшая работа будет сосредоточена на оптимизации геометрии сверхпроводящего устройства для увеличения амплитуды и скорости магнитных переходных процессов.
В перспективе, усовершенствованная технология позволит не только полностью переключать параметры магнитного порядка, но и управлять фазовыми переходами в материалах на сверхбыстрых временных шкалах.