Исследовательская группа обнаружила, что ультракороткие лазерные импульсы могут намагничивать сплавы железа, и это открытие имеет огромный потенциал для применения в технологии магнитных датчиков, хранении данных и спинтронике. Чтобы намагнитить железный гвоздь, просто несколько раз постучите магнитом по его поверхности. Однако есть и более необычный подход: команда под руководством Центра Гельмгольца в Дрездене-Розендорфе (HZDR) недавно обнаружила, что определенный сплав железа можно намагничивать ультракороткими лазерными импульсами.
Теперь исследователи объединились с Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) для дальнейшего изучения этого процесса. Они обнаружили, что это явление также происходит с материалами разных классов, что значительно расширяет возможности применения. Рабочая группа опубликовала свои выводы в научном журнале Advanced Functional Materials.
Это неожиданное открытие было сделано в 2018 году. Когда команда HZDR осветила тонкие слои железо-алюминиевого сплава ультракороткими лазерными импульсами, немагнитный материал внезапно стал магнитным. Принцип заключается в том, что лазерные импульсы перестраивают атомы в кристалле, сближая атомы железа, создавая магнит. Затем исследователям удалось снова размагнитить слой серией более слабых лазерных импульсов. Это позволило им найти способ создавать и стирать крошечные «магнитные пятна» на поверхностях.
Однако пилотный эксперимент все еще оставляет некоторые вопросы без ответа. Физик HZDR доктор Рантей Бали объясняет: «Пока неясно, возникает ли этот эффект только в железо-алюминиевых сплавах или также в других материалах. Мы также хотели попытаться проследить за временным развитием этого процесса».
Для дальнейшего расследования он сотрудничал с доктором Тео Пфлугом из LHM и коллегами из Университета Сарагосы в Испании.
Особое внимание специалисты уделяют железо-ванадиевым сплавам. В отличие от железоалюминиевых сплавов с регулярной кристаллической решеткой расположение атомов в железованадиевых сплавах более хаотично, образуя аморфную стеклоподобную структуру. Чтобы увидеть, что происходит, когда на них светит лазерный свет, физики используют специальный метод: метод накачки-зонда.
«Сначала мы облучаем сплав интенсивными лазерными импульсами, которые намагничивают материал», — объясняет Тео Пфлуг. «В то же время мы используем второй, более слабый импульс, который отражается от поверхности материала».
Анализ отраженных лазерных импульсов позволяет определить физические свойства материала. Этот процесс повторяется несколько раз, так что временной интервал между первым «накачивающим» импульсом и последующим «зондирующим» импульсом постоянно удлиняется.
В результате исследователи получили временные ряды данных отражения, которые позволили охарактеризовать процессы, вызванные лазерным возбуждением. «Весь процесс похож на создание книги, переворачивающей страницы», — сказал Пфлуг. «Аналогично, серия отдельных изображений оживляется, если просматривать их в быстрой последовательности».
Хотя атомная структура железо-ванадиевых сплавов отличается от структуры железо-алюминиевых соединений, железо-ванадиевые сплавы также можно намагничивать лазером. «В обоих случаях материал ненадолго плавится в момент облучения», — объясняет Рантей Бали. «Это заставляет лазер стирать предыдущую структуру, создавая небольшую магнитную область в обоих сплавах».
Обнадеживающий результат состоит в том, что это явление не ограничивается конкретной структурой материала, а может наблюдаться в различных атомных расположениях.
Команда также отслеживает временную динамику процесса: «По крайней мере, теперь мы знаем, в каком масштабе времени что-то происходит. В течение фемтосекунд лазерный импульс возбуждает электроны в материале. Через несколько пикосекунд возбужденные электроны передают энергию ядру».
Таким образом, эта передача энергии приводит к перестройке в магнитную структуру, которая стабилизируется последующим быстрым охлаждением. В последующих экспериментах исследователи стремятся наблюдать, как именно атомы перестраиваются, исследуя процесс намагничивания с помощью интенсивных рентгеновских лучей.
Хотя работа еще находится на ранних стадиях, она уже дает первые идеи для возможных применений: например, возможно размещение крошечных магнитов на поверхности чипа с помощью лазера. Рантедж Бали предположил: «Это может быть полезно для производства чувствительных магнитных датчиков, например, используемых в транспортных средствах. Это также может найти возможное применение в магнитном хранении данных».
Более того, это явление, по-видимому, связано с новым типом электроники, называемым спинтроникой. Здесь магнитные сигналы должны использоваться в цифровых вычислительных процессах, а не электроны, проходящие через транзисторы, как обычно, что обеспечивает возможный подход для будущих компьютерных технологий.
Источник составления: ScitechDaily.