Исследования в области хранения данных ведутся повсеместно. Какие-то ученые склоняются к использованию новых химических соединений или изменению уже имеющихся. Кто-то стремится к футуристическим высотам в виде носителей из воды или ДНК.

Сейчас мы прекрасно знаем о методиках чтения/записи данных, позволяющих изменять направление намагниченности определенного участка с использованием оптических технологий. Однако, наши сегодняшние герои решили «поиграться» с самим ферромагнетизмом. По их словам, именно в этом и заключается будущее хранения данных. Как именно им удалось манипулировать ферромагнетизмом, какие есть достоинства и недостатки у этой технологии, и действительно ли она станет прорывом в мире ИТ? Ответы на эти вопросы мы попытаемся найти в докладе ученых. Поехали.

Ферромагнетизм — что это?

Прежде чем начать описывать саму технологию, которая позволяет манипулировать данным физическим явлением, стоит коротенько пояснить что такое ферромагнетизм.

Типы магнетизмам (направление электронов): A — парамагнетизм; B — ферромагнетизм; C — антиферромагнетизм; D — ферримагнетизм; (E) принудительный ферромагнетизм.

Электроны веществ-ферромагнетиков склонны параллельно выстраиваться по отношению к приложенному магнитному полю. Помимо этого наблюдается тенденция к ориентированию этих магнитных моментов друг на друга для поддержания состояния пониженной энергии. Даже если приложенное поле отсутствует, электроны вещества спонтанно выстраиваются параллельно друг другу. Все это возможно только при температуре ниже **точки Кюри***.

Кусочек железа, нагретый до температуры выше точки Кюри лишь слегка притягивается к магниту. После охлаждения его ферромагнитные свойства восстанавливаются полностью.

*Точка Кюри — параметр, определяющий температуру, при которой вещество теряет свои ферромагнитные свойства. Когда температура превышает границу, установленную точкой Кюри, интенсивность теплового движения атомов возрастает и разрушает магнитный порядок электронов, т.е. симметрия нарушается, и ферромагнетик становится парамагнетиком (веществом, способным намагничиваться за счет воздействия внешнего магнитного поля, например алюминий или литий).

Стоит уточнить, что существует несколько типов магнетизма. А ферромагнетизм является самым знакомым для нас в быту. Именно его мы наблюдаем, когда крепим сувенирный магнитик на холодильник, когда записываем данные на оптический диск и т.д.

Манипуляции с ферромагнетизмом

По словам исследователей лазерные манипуляции со свойствами веществ это не новость в мире технологий хранения данных. Ярким примером являются CD-RW — перезаписываемые оптические диски. Попытки совместить скорость лазерных импульсов и плотность магнитной записи стали целью многих современных исследований. Для достижения подобной гибридизации используются методы оптического перемагничивания и термоассистируемой магнитной записи. Однако такие методы не позволяют манипулировать с самим ферромагнетизмом, как явление. Сатурация намагниченности (далее Ms) вещества остается прежней во время процесса чтения/записи. Если же найти перезаписываемые магниты внутри немагнитного вещества, это будет гораздо эффективнее и практичнее, чем запись битов данных в соответствии с направлением размагничивающего поля.

Реорганизация атомов

Основой исследований стал слой из Fe60Al40 типа В2. Поскольку данный слой состоит из неферромагнетиков (A = Al, V, Rh), они были реорганизованы в виде структуры объёмно-центрированной кубической сингонии (тип А2). Реорганизация подразумевает обмен местами атомов Fe и Al.

Молекулярная структура А2

В молекулярной структуре испытуемого вещества (Fe₆₀Al₄₀) сторона (001) состоит исключительно из атомов Fe, а сторона (002) из атомов Al и остатков атомов Fe. Такая структура обладает самым слабым комплексным соединением Fe-Fe, а также является парамагнетиком. Таким образом, если случайным образом поменять местами атомы Fe и Al в структуре В2, число соседствующих Fe−Fe увеличивается от 2.7 (В2) до 4.8 (А2). Процесс перехода от В2 до А2 также слегка увеличивает параметр решетки, что влияет на стимулирование ферромагнетизма. Процесс реорганизации атомов можно проводить локально. Сфокусированный луч ионов гелия может избирательно намагничивать определенные нано-участки молекулярной структуры.

Процедура эксперимента

Для изучения воздействия лазерных импульсов на уровень намагниченности слоя B2 Fe60Al40 была использована прозрачная подложка из **MgO***.

MgO* — оксид магния, обладает высоким коэффициентом отражения (в данном случае, отражательной способностью — величина, описывающая способность вещества отражать электромагнитное излучение).

Тонкие пленки изготавливались посредством **магнетронного распыления*** мишени в аргоносодержащей среде, при этом температуру подложки сохраняли на уровне комнатной.

Магнетронное распыление* — способ нанесения тонких пленок на подложку посредством бомбардировки катода (отрицательно заряженного электрода) положительными ионами в плазме магнетронного разряда.

Магнетронное распыление

А2 структура полученных пленок Fe₆₀Al₄₀ была реорганизована в В2 с помощью отжига в вакууме при температуре 773 К (приблизительно 500 ^оC).

Тестирование воздействия лазерных импульсов проводились на фотоэмиссионном электронном микроскопе в стенах **BESSY II*** в Берлине.

BESSY II* (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung II) — синхротрон с длиной окружности 240 м.

Одним из основных «участников» тестирования является лазер. Был использован титан-сапфировый лазер, поскольку он обладает широкой полосой генерации, что позволяет ему также генерировать и необходимые для эксперимента сверхкороткие импульсы. Длина волны лазера, сфокусированного на участке в 2 мкм с помощью микролинзы, составляла 800 нм, а длительность импульса приблизительно 100 фс (100 фемтосекунд, 1 фс = 10^-15 с).

Изображение №1: Воздействие сверкороткого лазерного импульса в 100 фс на пространство между Fe60Al40 и MgO. Магнитные свойства поверхности Fe₆₀Al₄₀ исследуются с помощью рентгеновского излучения.

Тестирование воздействия лазерных импульсов проводилось на пленках из B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 20, 40 и 80 нанометров. Частота повторения импульсов составила 2,5 МГц. Для выделения определенного импульса или череды нескольких импульсов использовался прибор Pulse Picker (дословный перевод — сборщик импульсов).

Один из вариантов прибора Pulse Picker

Магнитные изображения участков, на которые воздействовали лазерные импульсы, были записаны при L3 ферромагнитном резонансе Fe (707 эВ — электронвольт), посредством использования магнитного кругового дихроизма рентгеновского излучения.

Результат воздействия лазерных импульсов на тестируемую поверхность (Изображение №2)

Воздействие на пленку B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 40 нм единым лазерным импульсом с флюенсом 500 мДж/см^-2 привело к проявлению сильной поверхностной магнитной контрастности (2а). Магнитная контрастность изображена в виде разницы двух изображений, сделанных с помощью круговой поляризацией и обратной спиральностью. Параллельная рентгеновскому лучу намагниченность изображена красным цветом, а антипараллельная — синим.

При количестве импульсов 105 и флюенсом*** 200 мДж/см^-2 намагниченность поверхности, полученная при первом импульсном воздействии, была ликвидирована. На изображении **2b видно, что намагниченность поверхности сильно уменьшена, а контрастность отсутствует.

Флюенс* — интеграл по времени от плотности потока частиц или энергии.

Далее на тестируемый участок повторно воздействовал один импульс (500 мДж/см^-2), но с применением внешнего небольшого магнитного поля +5 мТл (миллитесла). На изображении 2с видно, что поле способствует формированию единого магнитного участка.

При повторном воздействии 104 импульсов (флюенс — 200 мДж/см^-2) намагниченность опять снизилась (2d).

Для оптимизации было проведено еще несколько тестов в различных условиях.

На изображении 2е — результат воздействия единого импульса (флюенс — 400 мДж/см^-2) при внешнем магнитном поле –15 мТл. Такое воздействие привело к формированию единой области с сильной намагниченностью.

В отличие от предыдущих переменных тестов (единый луч — несколько лучей — единый луч), тестируемая поверхность опять была подвержена воздействию лишь одного луча (флюенс — 200 мДж/см^-2). В результате намагниченность сильно снизилась, примерно на 40% от предыдущего показателя (изображение 2f).

Далее требовалось определить зависимость намагниченности от плотности воздействия. Потому изначальная пленка B2 Fe60Al40 подвергалась воздействию одного импульса, а плотность увеличивалась ступенчато от теста к тесту. Магнитная контрастность измерялась после каждого импульса. Дабы сохранять намагниченность в одной области было применено магнитное поле +15 мТл.

Изображение №3

На изображении 3а видно увеличение намагниченности пленок толщиной 20, 40 и 80 нм при увеличении лазерного флюенса. Контрастность, пропорциональная сатурации намагниченности, увеличивается сигмоидально при увеличении флюенса. Половинная амплитуда сатурации намагниченности (черные крестики на изображении 3а) достигалась при таком флюенсе:

• для 20 нм пленки — 300 мДж/см^-2;
• для 40 нм пленки — 390 мДж/см^-2;
• для 80 нм пленки — 650 мДж/см^-2.

Такая половинная амплитуда может считаться эффективным критическим порогом для магнитной записи, о чем говорят измерения намагниченности поверхности.

Изображение 3b демонстрирует снижение намагниченности при увеличении числа лазерных импульсов с низким флюенсом. В качестве импульса записи были применены следующие показатели флюенса: * для 20 нм пленки — 400 мДж/см^-2;

• для 40 нм пленки — 400 мДж/см^-2;
• для 80 нм пленки — 700 мДж/см^-2.

Для изучения процесса стирания последовательность импульсов обладала флюенсом всего 200 мДж/см^-2. Рост числа импульсов стирания был построен в логарифмическом порядке: 100, 101…104, 5 × 104 и 5 × 106.

«Ex situ» эксперимент

Дабы подтвердить, что молекулярная реорганизация атомов ответственна за магнитную запись посредством воздействия лазерных импульсов, был проведен «Ex situ» эксперимент.

Поверхность пленки B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 40 нм в воздушной среде была подвергнута воздействию Nd:YAG-лазера с длиной волны 355 нм. Ширина импульса составила 5 нс. Общее число импульсов — 105, а флюенс — 500 мДж/см^-2.

В результате была получена область 300 мкм в диаметре, на которую сильнее всего воздействовал лазер. Полученную намагниченность получилось определить используя магнитооптический эффект Керра. Вокруг точки **абляции*** было выявлена кольцеобразная область с высоким показателем намагниченности. Для проведения структурного анализа использовался TEM (Transmission electron microscopy / Трансмиссионный электронный микроскоп).

Абляция* — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом.

а) — Для проведения анализа был взят образец, обладающий ферромагнитными свойствами, рядом с областью абляции. Для этого использовалось устройство с фокусированным ионным лучом.

b) — Яркое поле TEM-изображения показывает неповрежденный поликристаллический слой толщиной 40 нм.

c) — SAED (дифракция электронов в выбранной области) подтвердила, что структура Fe60Al40 именно типа А2, поскольку отсутствовали сверхструктурные отражения 100, 111 и 210.

Подробности проведения данного эксперимента изложены тут

Анализ результатов тестов

Для более четкого понимания взаимосвязи условий, контролирующих процессы реорганизации, и перезаписываемой намагниченности пленки было проведено несколько симуляций. Они проводились на основе континуальной модели, в которой учитывались такие факторы: лазерное возбуждение электронов зоны проводимости; электронно-фононное равновесие; теплопередача; кинетика плавления и твердения. Условия воздействия лазера аналогичны тем, что применялись в тестах, результаты которых отображены на изображении №1. Поскольку результаты симуляций с участием пленки толщиной 40 нм самые ярко выраженные, они и будут рассматриваться при анализе.

Порог плавления

На испытуемый слой Fe₆₀Al₄₀ на подложке из MgO воздействовал лазерный луч различного флюенса.

• при флюенсе 173 мДж/см^-2 был определен порог плавления Fe₆₀Al₄₀/MgO;
• 357 мДж/см^-2 — выявление второй области плавления на поверхности пленки;
• 394 мДж/см^-2 — полное плавление через всю толщину пленки, когда два фронта плавления, распространившиеся через пленку и подложку, и поверхность сливаются воедино.

Пример: порог плавления льда составляет 0 ^оС

Такие показатели дают основания полагать, что быстрое твердение временно расплавленного участка пленки формирует неупорядоченную метастабильную (сохраняющую стабильность при не очень больших возмущениях) молекулярную структуру типа А2. При охлаждении затвердевшего участка метастабильная структура может перейти от типа А2 к В2.

Диффузия вакансий

Что есть вакансия? Это, грубо говоря, «брак» молекулярной структуры кристалла. Когда мы имеем идеальный кристалл — все атомы располагаются на своем месте. Если же в каком-то месте атома нет (хотя он должен там быть при идеальных условиях), то это место и есть наша вакансия. Диффузия вакансий это, простыми словами, переход атома в свободную область, т.е. смена его положения. Именно этот механизм и является основой атомной реорганизации испытуемого вещества.

Упрощенное схематическое изображение вакансии

Поскольку фотоэмиссионный электронный микроскоп, который использовался при сборе данных, крайне чувствителен к намагничиванию на поверхностях тонких слоев пленки, среднее квадратичное смещение вакансий (Х2) оценивалось в центре той области, куда направлен луч лазера. Оценка проводилась начиная от момента полного твердения этой области до момента, когда охлаждение прекращает процесс диффузии вакансий.

Термодинамика

Температурная зависимость термодинамической движущей силы по отношению к реорганизации атомов не позволяет четко определить количественную связать величины Х2 с кинетикой фазового перехода атомов. Однако предоставляет показательные результаты измерений степени атомных перестроек, возникающих в процессе реорганизации молекулярной структуры.

Изображение №4а

На изображении 4а представлено изменение температуры поверхности в центре места воздействия лазерного луча (лазерное «пятно» / «точка») во время четырех симуляций. Синий цвет линии обозначает твердую фазу, а красный — жидкую фазу вещества.

**Переохлаждение*** плавленого слоя ниже **Tm*** отображено красной штриховой линией. Переохлаждение* — имеется в виду процесс снижения температуры жидкости или газа ниже точки замерзания, но при этом не доводя вещество до состояния твердого тела.

Tm* — температура плавления, когда тело переходит из твердого состояния в жидкое или наоборот.

Для упрощения подсчетов было установлено единое значение Tm = 1660 K. Это значение находится между значениями солидуса (1630 К) и ликвидуса (1680 К). Серые участки на графиках представляют совокупное среднее квадратичное смещение вакансий (X2).

При значении флюенса 328 мДж/см^-2, до начала плавления поверхности, быстрое нагревание участка поверхности практически до Tm привело к скачку X2. Однако дальнейшее охлаждение, до температуры ниже ∼0.7 Tm (1160 K), снизило диффузию вакансий до незначительного уровня. При увеличении флюенса до 388 температура поверхности становится выше Tm, что приводит к переходному плавлению тонкого поверхностного слоя пленки. В данной симуляции фронты плавления, распространяющиеся от поверхности и от стыка пленка/подложка, не соединяются. При этом наблюдается быстрый рост кристаллической части пленки, который приводит к твердению при очень незначительном переохлаждении вещества. Как видно из графика, красная штриховая линия очень короткая.

Относительно высокая температура поверхности в момент ее повторного твердения гарантирует диффузию вакансий во время последующего охлаждения поверхности, при этом уровень X2 опустится до примерно того же, что и при флюенсе 328 мДж/см^-2.

Вероятность быстрого роста кристаллической части исключается, если температура поверхности выше порога полного плавления по всей толщине пленки. А твердение плавленого участка может пройти исключительно через латеральное распространение фронта твердения от краев участка до центра лазерного пятна. Относительно большой размер плавленого участка и ограниченная скорость фронта твердения (≤130 м/с) позволяют процессу твердения проходить медленнее, что, в свою очередь, приводит к более мощному переохлаждению плавленого вещества в центральной области лазерного пятна.

На практике это дает следующие результаты. При резком скачке времени твердения (от 740 пс (пикосекунд) при 388 мДж/см^-2 до 2.4 нс (наносекунд) при 403 мДж/см^-2) температура поверхности снижается в момент полного твердения с 0.93 до 0.91 Tm.

Значение 0.91 Tm также отображает максимум, возникающие во время всплеска температуры, который возникает при локальном выделении тепла твердения. Однако это тепло быстро рассеивается ввиду большого локального температурного градиента вокруг свеже-затвердевшей поверхности. Низкая же температура в повторно затвердевшем участке поверхности сильно ограничивает диффузию вакансий и приводит к сатурации значения Х2 при 403 мДж/см^-2, которое в 4 раза меньше, чем при 388 мДж/см^-2.

С дальнейшим увеличением флюенса время твердения центрального участка лазерного пятна увеличивается, а диффузия вакансий подавляется. На практике это дало следующие результаты. При увеличении флюенса с 403 до 478 мДж/см^-2 температура поверхности в момент твердения упала с 0.91 до 0.83 Tm. Сатурация Х2 снизилась до такого уровня, когда об необходимой атомной реорганизации не может быть и речи. Это отображено на четвертом графике изображения 4а.

Изображение №4b

На изображении выше (4b) X2 представлен в виде функции лазерного флюенса для более наглядного иллюстрирования его эффекта на диффузию вакансий. Ниже предела индукции второго фронта плавления длина диффузии вакансий увеличивается экспоненциально с увеличением флюенса.

В начале плавления поверхности X2 насыщается практически на постоянном уровне. Только при увеличении лазерного флюенса идет незначительное падение, что связано с сильным переохлаждением повторно твердеющего участка поверхности. Выше порога полного плавления время, требуемое на повторное твердение центрального участка лазерного пятна, резко увеличивается. Из-за этого происходит значительно более сильное переохлаждение, предшествующее повторному твердению, которое ограничивает диффузию вакансий во время охлаждения затвердевшей поверхности и снижает вероятность атомной перестройки молекулярной структуры от А2 до В2. Как результат, разорганизованность структуры и намагниченность должны сохраниться в центральной части лазерного пятна после быстрого снижения температуры до уровня комнатной. Ниже порога полного плавления поверхности диффузия вакансий может быть достаточно активной, чтобы обеспечить процесс реорганизации атомов. Как видно на изображении 4b пиковый показатель Х2 = 21.5 нм2, что соответствует примерно 320 скачкам вакансий. Максимальная концентрация вакансий, возникающих при быстром неравномерном твердении металлов, равна 10–3. Учитывая это можно предположить, что примерно 32% атомов сменили свое положение за счет диффузии вакансий.

Вышеуказанные параметры позволяют сделать заключение, что реорганизация может происходить и при воздействии единого лазерного импульса. Хотя, все же, нельзя точно определить взаимоотношение общего числа скачков вакансий во время охлаждения и относительной доли равновесных В2 фаз и метастабильных А2 фаз, генерируемых лазерным воздействием.

Этот вывод сходится с результатами тестов, показанных на изображениях 2f и 2b. Мы видим, что намагниченность существенно снизилась после воздействия на пленки толщиной 40 и 80 нм одного лазерного импульса.

Генерация ферромагнитных областей под воздействием лазерных импульсов при отсутствии магнитного поля соответствует прогнозированной схеме плавления и повторного твердения (изображение 2а). Ожидается, что повторное твердение будет проходить посредством следующих процессов: * возобновление твердых участков пленки;

• **гетерогенная нуклеация*** области пленка/подложка;
• гомогенная нуклеация*** кристаллитов внутри расплава в случае глубокого переохлаждения (к примеру, 0.6 Tm при флюенсе единого луча 478 мДж/см^-2 / изображение **4а).

Гетерогенная нуклеация* — первая стадия перехода из одной термодинамической фазы в другую внутри гетерогенной системы (состоит из двух или нескольких фаз).

Гомогенная нуклеация* — возникновение зачатков новой фазы внутри существующей. В процессе повторного твердения в участках роста выделяется тепло, которое приводит к неравномерному распределению температуры по зоне воздействия лазера. Такая температурная неоднородность может сохраняться вплоть до момента достижения точки Кюри. Участки намагничиваются при локальной температуре Tc − ΔT. Их поле смещает локальные магнитные моменты к краям участка, где температура все еще Tc + ΔT, тем самым индуцируя намагниченные домены (область/участок) (изображение 2а).

Чтобы избежать формирования множественных намагниченных доменов, во время лазерного воздействия применяется небольшое магнитное поле. Это позволяет эффективно избежать неоднородного рассеянного поля и сформировать единый магнитный домен (изображение 2с и 2е).

Изображение №5

На изображениях выше (a и b) продемонстрирован процесс плавления при флюенсе лазера 388 и 418, Х2 для обоих вариантов равен 11 нм2 (изображения c и d).

При флюенсе 418 мДж/см^-2 на поверхности и в области пленка/подложка возникают фронты плавления, что приводит к появлению области плавления. Процесс твердения данного участка происходит за счет распространения фронта твердения и занимает несколько наносекунд. Температура плавленого участка начинает снижаться и на момент полного затвердения достигает слишком низкого уровня, чтобы была возможна атомная реорганизация.

На изображении 5с видна область примерно в 500 нм в диаметре. Это область намагниченности поверхности. На уровне схождения пленка/подложка участок намагниченности соответствует (практически) области лазерного пятна. Площадь намагниченности увеличивается при увеличении флюенса.

При флюенсе 388 мДж/см^-2 два фронта плавления, распространяющихся от схождения пленка/подложка и поверхность пленки, остаются разделенными (изображение 5b). Как только температура падает ниже точки плавления, фронты плавления распространяются вертикально, что приводит к очень быстрому повторному твердению. Однако, в конце процесса твердения температура все еще высокая, что сопутствует активной диффузии вакансий. Диффузионная атомная реорганизация приводит к трансформации метастабильной А2 структуры, образованной во время плавления и повторного твердения участков пленки, в равновесную В2 структуру. Этот процесс полностью элиминирует намагниченность поверхности, что мы можем увидеть на изображении 5d.

Выводы исследователей

На примере В2 пленки было получено доказательство возможности «включать» и «выключать» ферромагнетизм с помощью лазерных импульсов и структурной реорганизации атомов. Симуляции выявили критически важную роль переохлаждения участков расплава в процессе реорганизации атомов. На один и тот же участок пленки 10 раз подряд воздействовал импульс лазера с флюенсом, большим предельно допустимого. При этом повреждений пленки не было выявлено. Многократное использование пленки может быть ограничено либо абляцией материала, либо загрязнением во время лазерного облучения. Однако этого можно избежать, используя защитный поверхностный слой (MgO). Дабы увеличить максимальный возможный уровень переохлаждения перед повторным твердением для контроля диффузии и реорганизации, а также достичь оптимальных изменяемых свойств лазеров, необходимо исследовать теплопроводность подложки и добавить буферный слой. Идея перезаписываемой намагниченности в сопряжении с лазерами может быть реализована на различных других материалах, которые демонстрируют возможность реорганизовать их структуру. Изучение подобных веществ может помочь понять фемтосекундный лазерный нагрев и охлаждение слоев. В частности, механизмы и кинетику упорядочивания и разупорядочивания, которые до сих пор полностью не ясны. Результаты этих исследований могут расширить спектр поиска новых сплавов, демонстрирующие обратимость изменений магнитных свойств за счет лазерного воздействия. Более подробно ознакомиться с исследованиями ученых вы можете с помощью их доклада

Эпилог

Конечно, данное исследование это только первый шаг в понимании скрытых возможностей и свойств некоторых веществ и сплавов, в том числе и в понимании процесса манипуляции с их магнитными свойствами. Ученые продемонстрировали нам, что мы можем использовать какой-то материал, более распространенный и, соответственно, более дешевый, и просто наделить его нужными нам свойствами. Возможно это исследование ради исследования, и оно никогда не получит практического применения по причине дороговизны изготовления, сложностей с использованием или просто кто-то другой придумает что-то гораздо лучшее. Несмотря на риски и возможную нереализованность, данные исследования и любые другие исследования имеют право на существования, ибо ученые это люди, которые не знаю ответы на все вопросы, а задают эти вопросы. Именно поиски ответов и приводят нас, человечество, к новым открытиям и новым технологиям.