Como muestra esta ilustración, los investigadores pudieron medir la dinámica de magnetización en la nanofilm de hierro causada por procesos electrónicos y acústicos ultrarrápidos. Crédito: Universidad de Bielefeld / W. Zhang
El equipo de investigación internacional registra la emisión de radiación de terahercios.
Un equipo internacional de físicos de la Universidad de Bielefeld, la Universidad de Uppsala, la Universidad de Estrasburgo, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, ETH Zurich y la Universidad Libre de Berlín han desarrollado un método preciso para medir el cambio ultrarrápido. de un estado magnético en materiales. Lo hacen al observar la emisión de radiación de terahercios que necesariamente acompaña a tal cambio de magnetización. Su estudio, titulado ‘Magnetometría ultrarrápida de terahercios’, se publica recientemente en Comunicaciones de la naturaleza.
Las memorias magnéticas no solo están adquiriendo una capacidad cada vez mayor al reducir el tamaño de los bits magnéticos, sino que también se están volviendo más rápidos. En principio, el bit magnético se puede “voltear”, es decir, puede cambiar su estado de “uno” a “cero” o viceversa, en una escala de tiempo extremadamente rápida de menos de un picosegundo. Un picosegundo (1 ps = 10-12 s) es una millonésima de una millonésima de segundo. Esto podría permitir el funcionamiento de memorias magnéticas a terahercios (1 THz = 1 x 1012 hertz) frecuencias de conmutación, correspondientes a velocidades de datos de terabit por segundo (Tbit / s) extremadamente altas.
En el nuevo estudio, junto con sus colegas internacionales, el profesor Dr. Dmitry Turchinovich (izquierda) y Wentao Zhang demuestran cómo se puede medir el cambio ultrarrápido de los estados magnéticos. Crédito: Universidad de Bielefeld / M.-D. Müller
“El desafío real es ser capaz de detectar un cambio de magnetización de este tipo de forma rápida y con la suficiente sensibilidad”, explica el Dr. Dmitry Turchinovich, profesor de física en la Universidad de Bielefeld y líder de este estudio. «Todos los métodos existentes de magnetometría ultrarrápida adolecen de ciertos inconvenientes importantes como, por ejemplo, el funcionamiento solo en condiciones de vacío ultra alto, la incapacidad de medir en materiales encapsulados, etc.
Nuestra idea era utilizar el principio básico de la electrodinámica. Esto establece que un cambio en la magnetización de un material debe resultar en la emisión de radiación electromagnética que contenga la información completa sobre este cambio de magnetización. Si la magnetización en un material cambia en una escala de tiempo de picosegundos, entonces la radiación emitida pertenecerá al rango de frecuencia de terahercios.
El problema es que esta radiación, conocida como “emisión de dipolos magnéticos”, es muy débil y puede oscurecerse fácilmente por la emisión de luz de otros orígenes ”. Wentao Zhang, estudiante de doctorado en el laboratorio del profesor Dmitry Turchinovich y primer autor del artículo publicado dice: ‘Nos llevó tiempo, pero finalmente logramos aislar precisamente esta emisión de terahercios de dipolo magnético que nos permitió reconstruir de manera confiable el ultrarrápido dinámica de magnetización en nuestras muestras: nanofilms de hierro encapsulados ”.
En sus experimentos, los investigadores enviaron pulsos muy cortos de luz láser sobre las nanofilms de hierro, lo que provocó que se desmagnetizaran muy rápidamente. Al mismo tiempo, estaban recolectando la luz de terahercios emitida durante dicho proceso de desmagnetización. El análisis de esta emisión de terahercios arrojó la evolución temporal precisa de un estado magnético en la película de hierro.
“Una vez que terminó nuestro análisis, nos dimos cuenta de que en realidad vimos mucho más de lo que esperábamos”, continúa Dmitry Turchinovich. “Ya se sabe desde hace algún tiempo que el hierro puede desmagnetizarse muy rápidamente cuando se ilumina con luz láser. Pero lo que también vimos fue una señal adicional razonablemente pequeña, pero muy clara, en la dinámica de magnetización. Esto nos emocionó mucho a todos.
Esta señal provino de la desmagnetización en el hierro, en realidad impulsada por la propagación de un pulso de sonido muy rápido a través de nuestra muestra. ¿De dónde vino este sonido? Muy fácil: cuando la película de hierro absorbió la luz láser, no solo se desmagnetizó, también se calentó. Como sabemos, la mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan, y esta expansión de la nanofilm de hierro lanzó un pulso de ultrasonido de terahercios dentro de la estructura de nuestra muestra.
Este pulso de sonido rebotaba hacia adelante y hacia atrás entre los límites de la muestra, internos y externos, como el eco entre las paredes de una gran sala. Y cada vez que este eco atravesaba la nanofilm de hierro, la presión del sonido movía un poco los átomos de hierro, lo que debilitaba aún más el magnetismo del material ”. Este efecto nunca se había observado antes en una escala de tiempo tan ultrarrápida.
“Estamos muy contentos de haber podido ver esta señal de magnetización ultrarrápida impulsada acústicamente con tanta claridad y de que fuera tan relativamente fuerte. Fue sorprendente que detectarlo con radiación THz, que tiene una longitud de onda sub-mm, funcionó tan bien, porque la expansión en la película de hierro es solo de decenas de femtómetros (1 fm = 10-15 m) que es diez órdenes de magnitud menor ”, dice el Dr. Peter M. Oppeneer, profesor de física en la Universidad de Uppsala, quien dirigió la parte teórica de este estudio.
El Dr. Pablo Maldonado, un colega de Peter M. Oppeneer que realizó los cálculos numéricos que fueron cruciales para explicar las observaciones en este trabajo, agrega: ‘Lo que encuentro extremadamente emocionante es una coincidencia casi perfecta entre los datos experimentales y nuestros primeros principios cálculos teóricos. Esto confirma que nuestro método experimental de magnetometría de terahercios ultrarrápida es realmente muy preciso y también lo suficientemente sensible, porque pudimos distinguir claramente entre las señales magnéticas ultrarrápidas de diferentes orígenes: electrónicas y acústicas.
Referencia: “Magnetometría ultrarrápida de terahercios” por Wentao Zhang, Pablo Maldonado, Zuanming Jin, Tom S. Seifert, Jacek Arabski, Guy Schmerber, Eric Beaurepaire, Mischa Bonn, Tobias Kampfrath, Peter M. Oppeneer y Dmitry Turchinovich, 25 de agosto de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-17935-6
El resto de los coautores de esta publicación la han dedicado a la memoria de su colega y pionero en el campo del magnetismo ultrarrápido, el Dr. Eric Beaurepaire de la Universidad de Estrasburgo. Fue uno de los creadores de este estudio, pero falleció durante sus etapas finales.
