全光磁化切换的基本空间极限

磁化可以用单个激光脉冲来切换。然而，目前尚不清楚底层微观过程是否可以扩展到纳米长度尺度，这是使该技术在未来数据存储应用中具有竞争力的先决条件。德国柏林马克斯·波恩研究所的研究人员与西班牙马德里材料科学研究所和意大利的里雅斯特自由电子激光设施 FERMI 的同事合作，确定了光驱动磁化反转的基本空间极限。

现代磁性硬盘每平方英寸可以存储超过 1 兆位的数据，这意味着最小的信息单位可以编码在小于 25 纳米 x 25 纳米的区域上。在基于激光的全光切换 (AOS) 中，磁编码位通过单个超短激光脉冲在“0”和“1”状态之间切换。为了充分发挥 AOS 的潜力，特别是在更快的写入/擦除周期和更高的功率效率方面，我们需要了解如果磁位的尺寸为纳米级，它是否仍可以全光反转。

为了实现 AOS，必须将磁性材料加热到非常高的温度，使其磁化强度降低到接近零。只有这样，才能逆转其磁化强度。AOS 的转折点在于，为了介导磁切换，只需加热材料的电子，同时保持原子核晶格冷却即可。这正是光学激光脉冲的作用：它只与电子相互作用，允许以非常低的功率水平达到更高的电子温度。然而，由于热电子通过与冷原子核散射而非常迅速地冷却，因此必须在此特征时间尺度内足够快地降低磁化强度，即 AOS 依赖于电子温度演变和磁化强度损失之间的微妙平衡。很容易看出，当光激发被限制在纳米级时，这种平衡发生了变化：现在电子不仅可以通过“给原子核一个踢”来损失能量，而且还可以通过扩散离开纳米级的热区。由于它们只需要穿越纳米级的距离即可完成此过程，因此该过程也会在超快时间尺度上发生，因此电子可能冷却得太快，磁化强度无法充分降低，导致 AOS 崩溃。

一个国际研究小组首次通过将软 X 射线实验与原子自旋动力学计算相结合，成功解决了“AOS 的工作范围有多小”这一问题。他们通过两个波长为 8.3 nm 的软 X 射线激光脉冲的干涉，在原型磁性材料 GdFe 的样品表面产生了一种寿命极短的暗亮条纹激光图案。这使得暗区和亮区之间的距离缩小到只有 8.7 nm。这种照射仅持续约 40 飞秒，导致 GdFe 中热电子和冷电子温度的横向调制，从而导致相应的局部磁化损失。然后，科学家们可以跟踪这种图案在相关的极短时间尺度上如何演变。为此，第三个波长为 8.3 nm 的软 X 射线脉冲在与图案生成脉冲不同的时间延迟下从瞬态磁化图案中衍射出来。在这种特定波长下，钆原子的电子共振使软 X 射线脉冲“感受到”磁化的存在，因此可以以飞秒时间和亚纳米空间分辨率检测到磁化的变化。将实验结果与最先进的模拟相结合，研究人员可以确定纳米级的超快能量传输。事实证明，由纳米级周期性激发引起的 GdFe 合金中 AOS 的最小尺寸约为 25 纳米。这个限制是由于超快横向电子扩散，它迅速冷却了这些微小长度尺度上的照明区域，并最终防止了 AOS。通过增加激发功率可以在一定程度上补偿由于电子扩散导致的更快冷却，但这种方法最终受到强激光束造成的结构损坏的限制。研究人员预计，25 纳米边界对所有金属磁性材料都是相当普遍的。

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