Ученые открыли новый механизм сверхбыстрого перемагничивания с помощью света

Исследователи из Института Макса Борна в Берлине вместе с коллегами из Берлина и Нанси обнаружили, что процесс сверхбыстрого перемагничивания материалов с помощью лазерных импульсов происходит не так, как считалось ранее. Вместо равномерного переключения по всему объему материала ученые наблюдали распространение границы между магнитными доменами. Это открытие бросает вызов существующим теоретическим моделям и открывает новые возможности для создания энергоэффективных устройств спинтроники.

Схематическая иллюстрация экспериментального подхода. Автор: Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

Область сверхбыстрого магнетизма изучает, как вспышки света могут управлять намагниченностью материала за триллионные доли секунды. В процессе, известном как полностью оптическое переключение (AOS), одиночный лазерный импульс длительностью в несколько фемтосекунд (≈10^-15 секунд) переворачивает крошечные магнитные области без необходимости во внешнем магнитном поле.

До сих пор считалось, что процесс переключения происходит равномерно в магнитном материале везде, где лазерный импульс выделяет достаточное количество энергии. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что это не так. Вместо этого наблюдается сверхбыстрое распространение границы намагниченности вглубь материала.

Комбинируя сверхкороткое инфракрасное возбуждение с фемтосекундной спектроскопией на мягком рентгеновском излучении, ученые изучили тонкую пленку гадолиния-кобальта (GdCo) толщиной 9,4 нм в типичной слоистой структуре. Используя широкополосное рентгеновское излучение, настроенное на атомный резонанс атома гадолиния, они применили технику, которая позволяет отслеживать изменения намагниченности по глубине образца во времени. Результатом стало «кино» об эволюции намагниченности с фемтосекундным временным разрешением.

В этом «кино» исследователи смогли наблюдать то, что ранее было скрыто: сразу после прихода инфракрасного импульса длительностью 27 фс весь слой GdCo сначала нагревается, и его намагниченность падает почти равномерно, что согласуется с традиционными представлениями.

Но через две пикосекунды появляются два домена с противоположной намагниченностью: верхняя область — получающая дополнительный стимул от сильнее нагретого слоя платины поверх GdCo — переключается первой, в то время как направление намагниченности в нижней части остается неизменным. Формируется граница между этими двумя доменами, которая затем распространяется вниз со скоростью около 2000 м/с, проходя через весь слой GdCo примерно за 4,5 пс.

Это открытие заставляет пересмотреть AOS как комбинацию локальных и нелокальных процессов. Распространяющаяся граница, возможно, управляемая комбинацией обмена угловым моментом между переключенными и непереключенными областями и тепловыми градиентами в гетероструктуре, в конечном счете определяет как скорость переключения, так и конечное магнитное состояние.

Эти открытия открывают новые пути для проектирования светоуправляемых магнитных устройств. Выбирая различные окружающие слои, а также изменяя толщину пленки и состав, можно контролировать, где зарождается граница и как быстро она движется. Такая свобода проектирования может позволить создать быстрые и энергоэффективные элементы памяти и логики, использующие световое обращение намагниченности.

Больше информации: Martin Hennecke et al, Transient domain boundary drives ultrafast magnetisation reversal, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63571-3

Источник: Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

Интересный факт: Технологии сверхбыстрого оптического перемагничивания рассматриваются как основа для памяти будущих поколений, которая сможет работать в тысячи раз быстрее, чем современные флеш-накопители и оперативная память, при значительно более низком энергопотреблении.