Благодаря сверхкоротким лазерным импульсам ученые смогли изменить намагниченность диэлектрика за одну пикосекунду — то есть за время, в триллион раз меньше секунды. Это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее. Исследование поможет создавать новые системы обработки и хранения информации на основе магнитных материалов. Статья ученых опубликована в журнале Science Advances. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Действуя на материал лазерами с фемтосекундными (одна квадриллионная доля секунды) импульсами, ученые могут нагреть до значительных температур. В магнитных металлах, широко используемых в современной электронике, такой нагрев приводит к очень быстрым изменениям магнитного порядка, то есть упорядочения магнитных атомов материала. Это свойство можно использовать для сверхбыстрого управления намагниченностью, в том числе для создания новых высокоскоростных систем обработки информации. В магнитных диэлектриках лазерный нагрев намного слабее и намагниченность изменяется достаточно медленно, поэтому долгое время такие материалы не рассматривались в перспективе сверхбыстрого управления.

Ученые Физико-технического института (ФТИ) имени А.Ф. Иоффе РАН вместе с коллегами из Германии, Швеции и Японии нашли новый способ изменять намагниченность магнитных диэлектриков с высокой скоростью и при сверхбыстром лазерном воздействии.

В качестве объекта исследований физики выбрали обладающий диэлектрическими свойствами оксид иттрия и железа (YIG), который применяется в электронике. Ученые ФТИ синтезировали пленку YIG и затем измерили в ней сверхбыстрые изменения намагниченности на лазерной фемтосекундной установке. Чтобы вызвать изменение намагниченности, образец облучали сверхкороткими терагерцовыми лазерными импульсами. Для того, чтобы регистрировать изменения намагниченности, через образец пропускали второй лазерный луч видимого диапазона длин волн. Поляризация прошедшего через образец луча изменялась, что позволило сделать вывод о том, что намагниченность материала тоже менялась, а также определить причины этого явления.

Ученые проследили, как созданное терагерцовыми импульсами возмущение из кристаллической решетки передается спиновой подсистеме, тем самым изменяя ориентацию магнитных моментов отдельных атомов материала. Оказалось, что это явление происходит за одну пикосекунду (триллионная доля секунды). Это время оказалось в 100 раз короче, чем то, которое рассчитали ученые, исходя из существующих моделей. Для объяснения этого экспериментального наблюдения ученые разработали новую теоретическую модель, которая показала, что сверхкороткие терагерцовые импульсы вызывают такие колебания кристаллической решетки YIG, которые меняют взаимодействия между магнитными атомами, приводя к изменению их взаимной ориентации, что и вызывает изменение намагниченности.

«Наши экспериментальные и теоретические результаты не только пролили свет на микроскопический механизм отклика намагниченности диэлектрика на лазерное возбуждение, но и показали, что в таких материалах возможна сверхбыстрая магнитная динамика. Это открывает интересные возможности для реализации новых механизмов управления магнитными материалами и структурами», – говорит один из авторов работы, главный научный сотрудник ФТИ имени А.Ф. Иоффе Роман Писарев.