Magnetizzazione: alterarla usando la radiazione XUV

Una nuova ricerca ha introdotto un metodo non termico per la magnetizzazione che utilizza luce XUV polarizzata circolarmente, che induce significativi cambiamenti attraverso l’effetto Faraday inverso, trasformando potenzialmente l’archiviazione di dati ultraveloce e la spintronica.

magnetizzazione

Cambiare l’orientamento della magnetizzazione

Gli impulsi laser intensi possono essere utilizzati per manipolare o persino cambiare l’orientamento della magnetizzazione di un materiale su scale temporali estremamente brevi.

In genere, tali effetti sono indotti termicamente, poiché l’energia laser assorbita riscalda il materiale molto rapidamente, causando una perturbazione ultraveloce dell’ordine magnetico.

Gli scienziati del Max Born Institute (MBI), in collaborazione con un team internazionale di ricercatori, hanno dimostrato un approccio non termico efficace per generare grandi cambiamenti di magnetizzazione.

Esponendo una lega ferrimagnetica di ferro-gadolinio a impulsi circolarmente polarizzati di radiazione ultravioletta estrema (XUV), hanno potuto rivelare una risposta magnetica particolarmente forte a seconda della chiralità del burst di luce XUV in arrivo (polarizzazione circolare sinistra o destra).

Lo studio

Il meccanismo di base si basa sull‘effetto Faraday inverso, che non si basa sull’assorbimento della luce, ma fornisce un’interazione efficiente tra la sua polarizzazione e i momenti magnetici nel materiale.

Quando un impulso laser intenso colpisce un mezzo magnetizzato, il suo impatto sulla magnetizzazione può essere solitamente attribuito alla quantità di energia introdotta nel materiale quando viene assorbita.

Microscopicamente, questo corrisponde a un’eccitazione ottica degli elettroni, che vengono rapidamente portati in non equilibrio e iniziano a disperdersi tra loro e con altre quasiparticelle, modificando lo spin dell’elettrone e i momenti orbitali e quindi la magnetizzazione a lungo raggio.

Sebbene tali meccanismi diano origine a una serie di fenomeni interessanti, tra cui la smagnetizzazione ultraveloce e la sua commutazione indotta dal laser, essi hanno il prezzo di un notevole carico termico sul materiale, limitandone l’applicabilità tecnologica laddove siano richieste elevate velocità di ripetizione, ad esempio per le operazioni di lettura/scrittura nelle future tecnologie di archiviazione dati.

Un team internazionale di ricercatori, guidato da scienziati del MBI, ha studiato un percorso completamente diverso, non termico, di manipolazione del magnetismo tramite la luce. Il loro approccio si basa su un fenomeno opto-magnetico che non si basa sul riscaldamento elettronico indotto dall’assorbimento della luce, ma piuttosto su un’interazione diretta e coerente tra la polarizzazione della luce e gli spin elettronici.

Il meccanismo sottostante è l’effetto Faraday inverso (IFE), che porta alla generazione di momenti magnetici in un mezzo otticamente eccitato da radiazione polarizzata circolarmente, con la direzione della magnetizzazione che dipende dalla polarizzazione circolare sinistrorsa o destrorsa, ovvero dalla sua elicità.

Poiché le proprietà metalliche e altamente assorbenti della maggior parte dei materiali ferromagnetici e antiferromagnetici in genere sopprimono gli effetti non termici sopra menzionati, è stato necessario sviluppare una tecnica speciale per generare una risposta optomagnetica considerevole.

Utilizzando impulsi di femtosecondi circolarmente polarizzati di radiazione ultravioletta estrema (XUV), generati dal laser a elettroni liberi FERMI, gli scienziati hanno potuto dimostrare la generazione di una magnetizzazione indotta da IFE particolarmente forte in una lega metallica ferrimagnetica di ferro-gadolinio (FeGd).

Questo è possibile grazie all’elevata energia dei fotoni della radiazione XUV, che consente l’eccitazione risonante di elettroni a livello di nucleo strettamente legati, che grazie alle loro proprietà intrinseche (in particolare, un forte accoppiamento spin-orbita) facilitano la generazione di grandi effetti opto-magnetici.

Con questo approccio, gli scienziati hanno potuto dimostrare che, per diverse energie dei fotoni XUV attorno alla risonanza a livello del nucleo Fe M 3,2 m, la magnetizzazione indotta dall’IFE può raggiungere fino al 20-30% dello stato fondamentale della lega, misurata dalla differenza tra la smagnetizzazione ultraveloce indotta per elicità opposte degli impulsi XUV polarizzati circolarmente.

Grazie al supporto della teoria ab initio e delle simulazioni della dinamica dello spin, è stato anche possibile dimostrare che gli effetti osservati sono in linea con la risposta IFE prevista e non possono essere spiegati da un meccanismo puramente dipendente dall’elicità termica, come il consolidato dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD).

Conclusioni

Fornendo un metodo efficiente per la generazione non termica di grande magnetizzazione su scale temporali ultraveloci, si prevede che queste scoperte saranno di grande rilevanza per i campi del magnetismo ultraveloce e della spintronica, nonché per il controllo della magnetizzazione coerente e per la scienza delle interazioni non lineari tra raggi X e materia.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications Physics.

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