Сверхбыстрое управление намагниченностью материалов — краеугольный камень современной фотоники. В будущем такие технологии могут найти применение в оптических компьютерах и терагерцевой электронике. В последние годы сделан целый ряд успешных экспериментов в этой области. Среди них изменение спина в антиферромагнетиках под воздействием света за несколько пикосекунд, контроль за колебаниями магнитных моментов антиферромагнетика парой фемтосекундных лазеров, фазовый переход от ферромагнетика к антиферромагнетику под воздействием света в течение фемтосекунд и др. Несмотря на замечательный прогресс в этой области, в экспериментах бóльшая часть световой энергии не задействуется непосредственно во взаимодействии света с намагниченным материалом. Это означает, что на практике потребуются значительные усилия на отвод энергии.

Коллектив голландских, немецких и российских учёных из Института общей физики им. Прохорова РАН, московского технологического университета (МИРЭА) и МФТИ разработали гораздо более эффективный и практичный способ сверхбыстрого управления намагниченностью материала. Вместо видимого и инфракрасного света они задействовали электромагнитные импульсы терагерцевого излучения. Таким образом, учёные предлагают использовать для перезаписи информации в компьютерной памяти будущего не лазерные импульсы, а Т-лучи.

Терагерцевое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами с длиной волны от 1 до 0,1 мм. Т-лучи легко проходят сквозь большинство диэлектриков, но хорошо отражаются проводящими материалами (металлами) и поглощаются многими жидкостями (водой).

Эксперименты по управлению намагниченностью с помощью терагерцевых импульсов проводились и раньше, но там задействовались другие механизмы взаимодействия. Российские физики предложили концептуально новый универсальный механизм.

Дело в том, что сила и направление магнитной анизотропии практически во всех материалах определяется спариванием орбитальных состояний электронов с упорядоченными спиновыми состояниями. Следовательно, сверхкороткий импульс электрического поля, резко изменяющий орбитальные состояния электронов, может привести к внезапному изменению магнитной анизотропии. Учёные собрали экспериментальную установку и проверили теорию, что изменение магнитной анизотропии приводит к колебаниям магнонов с большими амплитудами, которые квадратично зависят от силы терагерцевого поля.

Магнон — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. Такой отдельной частицы на самом деле не существует самой по себе, но использование такого понятия существенно упрощает описание процесса, который в реальности происходит на квантовом уровне.

Авторы научной работы пишут, что в терагерцевом спектральном диапазоне эту концепцию (управляемое изменение магнитной анизотропии и намагниченности) можно применить к любому материалу, в котором изменения электронных орбиталей приводят к изменению магнитной анизотропии. Например, это различные оксиды с ионами 3d и 4f. Среди них — разнообразные ортоферриты, манганиты и ферробораты, а также различные соединения с 3d-ионами, такие как гематит α-Fe₂O₃

До российско-немецкого эксперимента подобные свойства терагерцевого излучения оставались, по большому счёту, неизученными.

Фундаментальная идея показана на иллюстрации. Для опыта использовали антиферромагнетик TmFeO₃ — ортоферрит тулия. Этот материал кристаллизируется в деформированной структуре перовскита.

Эксперимент показал, что пучки Т-лучей очень эффективно с точки зрения энергозатрат меняют магнитные свойства и ионов железа, и ионов тулия.

«Мы сделали важный шаг на пути к терагерцовой электронике: показали качественно новый подход к контролю намагниченности с помощью коротких импульсов терагерцового излучения. Насколько нам известно, наша работа — первый пример подобного применения Т-лучей», — заявил Анатолий Звездин из Московского физико-технического института в Долгопрудном.

По мнению специалистов, в оптических компьютерах именно терагерцовое излучение уместно использовать для сверхскоростной передачи информации, записи информации на магнитные носители и т.д. Кроме того, Т-лучи могут найти применение для наблюдения за работой живых клеток в режиме реального времени и множества других целей.

Анатолий Звездин отметил, что данные эксперименты являются продолжением тех исследований, которые советские ученые вели в Московском государственном университете:

«В СССР ортоферриты исследовала группа в МГУ, и у нас был приоритет в этой области. В каком-то смысле, наша работа — продолжение тех исследований», — сказал он.

Научная работа опубликована 3 октября 2016 года в журнале Nature

(doi: 10.1038/nphoton.2016.181).