Badania

Zimny ultraszybki zapis fotomagnetyczny w przezroczystej warstwie dielektryka

Znalezienie nowych mechanizmów zapisu i przetwarzania informacji, przy jak najmniejszym zużyciu energii i jednocześnie jak największej szybkości, jest jednym z fundamentalnych wyzwań dla współczesnej fizyki łączącej obszary optyki i magnetyzmu. Zademonstrowana została nowa metoda [1] wykorzystująca wyłącznie pojedynczy femtosekundowy impuls laserowy do zapisu (a także odczytu) w przezroczystej warstwie dielektrycznego granatu. Zmiana polaryzacji liniowej impulsu pozwala przełączyć magnetyzację, zapisując stan ‘0’ lub ‘1’ w sposób powtarzalny i odwracalny.

Wynik ten osiągnięto dzięki zastosowaniu do zapisu cienkiej warstwy granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego jonami kobaltu (YIG:Co), będącego ferrimagnetycznym dielektrykiem. Jony kobaltu w tym granacie są odpowiedzialne za silne sprzężenie momentu magnetycznego elektronu z momentem pędu jego ruchu orbitalnego, tzw. sprężenie spinowo-orbitalne. Światło liniowo spolaryzowane może skutecznie zmienić ruch orbitalny elektronów w jonach, tym samym zmieniając kierunek momentu magnetycznego. Zjawisko odpowiedzialne za te zmiany, jest tak zwany efekt fotomagnetyczny, obecność którego już w temperaturze pokojowej zademonstrowano w warstwach granatów w końcówce XX wieku w Zakładzie Fizyki Magnetyków Uniwersytetu w Białymstoku.

Metoda ta pozwala na najszybszy znany dotychczas proces zapisu i odczytu informacji, w czasie około 20 ps. Ten czas jest praktycznie 1000 razy krótszy niż w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM. Temperatura nośnika w trakcie zapisu wzrasta zaledwie o 1 stopień Celsjusza. Pozwoli to rozwiązać wiele problemów związanych z odprowadzaniem ciepła i zużyciem energii przez systemy pamięci. Przy zapisie 1 bitu informacji system zużywałby niewiele energii – nawet 10 000 razy mniej niż najnowsza technologia pamięci STT-MRAM, i nawet miliard razy mniej niż obecne dyski HDD. Już teraz można więc stwierdzić, że nowa metoda bije nie tylko rekordy szybkości, ale też wydajności.

[1] A. Stupakiewicz, K. Szerenos, D. Afanasiev, A. Kirilyuk, A. V. Kimel, “Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium”, Nature 542, 71 (2017).   http://dx.doi.org/10.1038/nature20807

Nowe możliwości fotomagnetycznego zapisu 3D

Unikalne właściwości światła umożliwiają ultraszybki i energooszczędny sposób przesyłania danych cyfrowych w sieciach optycznych, natomiast magnetyzm pozwala budować najtańsze, najpojemniejsze i najbardziej niezawodne pamięci. Te wyjątkowe cechy spowodowały rosnące zainteresowanie naukowców prowadzeniem badań podstawowych wraz z poszukiwaniem materiałów do magnetycznego zapisu informacji wyłącznie za pomocą światła. Ostatnie odkrycie zespołu fizyków z Białegostoku prezentuje metodę najszybszego i najbardziej wydajnego zimnego zapisu fotomagnetycznego z wykorzystaniem pojedynczego femtosekundowego impulsu laserowego w przezroczystej warstwie granatu z domieszką jonów kobaltu [1]. Wynik ten w sposób naturalny wywołał pytanie o regułach wyboru, polegających na wyznaczeniu optymalnej długości fali, polaryzacji i natężenia światła dla zapisu fotomagnetycznego.

Wyniki badań demonstrują nową koncepcję selektywnego przełączenia magnetyzacji w komórkach kobaltu o różnej symetrii (tetraedrycznej lub oktaedrycznej) w krysztale granatu [2]. Mechanizm pozwalający na zapis jest związany z niezwykle efektywnym rezonansowym wzbudzeniem optycznym określonych przejść elektronowych w warstwie granatu. Ta unikalna cecha odsłania nowe możliwości fotomagnetycznego zapisu 3D oraz ultraszybkiego optycznego przesyłania informacji w systemach telekomunikacyjnych. Z szacowań wynika, że nawet jeden foton może przełączyć magnetyzację komórek kobaltu o objętości 28 nm³ (w terabajtowych dyskach HDD zapisywana komórka bitowa ma objętość około 4000 nm³).

Znalezienie nowych magnetycznych materiałów dielektrycznych lub heterostruktur metal/dielektryk, w których magnetyzacja przełącza się za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych w szerokim zakresie spektralnym, będzie kluczowe dla przyszłej technologii zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego.

[2] Stupakiewicz, K. Szerenos, M. D. Davydova, K. A. Zvezdin, A. K. Zvezdin, A. Kirilyuk, A. V. Kimel, „Selection rules for all-optical magnetic recording in iron garnet”, Nature Comm. 10, 612 (2019).

Magnetooptyczne techniki eksperymentalne:

1. Magnetooptyczna magnetometria

Do pomiarów procesów magnesowania oraz anizotropii zbudowano układ magnetooptyczny (MOKE) w konfiguracji polarnej P-MOKE (wiązka światła padająca prostopadle do płaszczyzny próbki) oraz płaszczyznowej (wiązka światła ustawiona pod pewnym kątem): podłużnej L-MOKE i poprzecznej T-MOKE. Zautomatyzowano cały proces pomiarowy w oparciu o oryginalne programy LabView, przy pomocy których sterowano precyzyjnym skanowaniem zogniskowanej wiązki światła na powierzchni próbki, obrotem próbki oraz amplitudą i kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego. W trakcie pomiarów, w czasie rzeczywistym, program przeprowadzał wstępną analizę podstawowych parametrów krzywych histerez. Lokalne badania krzywych histerez z koherentną rotacją wektora magnetyzacji w zewnętrznym polu magnetycznym dały możliwość określenia stałych anizotropii magnetycznej na podstawie wyznaczenia wartości pola efektywnego.

2. Generacja drugiej harmonicznej 

Do badań efektów nieliniowych zbudowano układ spektroskopii magnetooptycznej generacji drugiej harmonicznej (ang. magnetization-sensitive second harmonic generation – MSHG). Efekt MSHG nie występuje w układach centrosymetrycznych, natomiast przejawia się bardzo silnie tam, gdzie istnieje załamanie symetrii, tak jak np. na powierzchniach lub interfejsach układów warstwowych. Do obserwacji efektu MSHG zastosowano impulsowe światło (80 MHz) femtosekundowe z wykorzystaniem różnych kombinacji stanów polaryzacji światła padającego (P_in i S_in) i odbitego (P_out i S_out) od próbki. Istotną zaletą tego efektu jest możliwość detekcji sygnału pochodzącego od wkładu krystalograficznego powierzchni oraz magnetycznego pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego z przestrzenną rozdzielczością w szerokim zakresie spektralnym.

3. Ultraszybka dynamika pump-probe
   

Układ magnetooptyczny jest oparty na technice impulsowego światła spolaryzowanego z wykorzystaniem femtosekundowego lasera i oscylatora parametrycznego do badań: ultraszybkich procesów magnesowania, spektroskopii liniowych i nieliniowych efektów optycznych i magnetooptycznych oraz obrazowania rozkładów magnetyzacji w skali czasowej. Zasada działania układu polega na technice stroboskopowej „pump-probe” w której światło wykorzystano nie tylko do detekcji procesu magnesowania (magnetooptyka), ale również do jego wzbudzania. Zastosowanie układu z czasową rozdzielczością w oparciu o linię opoźnienia optycznego pozwala uzyskać dokładność pomiarową na poziomie 0.7 fs (co odpowiada 0.1um opóźnienia impulsu optycznego). Detekcja magnetooptyczna w konfiguracji Kerra lub Faradaya daje możliwość wyznaczenia wartości skręcenia (wielkość proporcjonalna do składowej magnetyzacji) w funkcji czasu. Wykorzystanie oscylatora parametrycznego pozwala na przeprowadzenie badań spektroskopowych dla wiązki światła wzbudzającego bądź próbkującego.