全光磁化开关的基本空间极限

磁化可以用单个激光脉冲进行切换。然而，尚不清楚底层微观过程是否可扩展到纳米级，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Max Born研究所的研究人员与西班牙马德里材料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。这篇论文发表在《纳米快报》杂志上

现代磁性硬盘驱动器每平方英寸可以存储超过1太比特的数据，这意味着最小的信息单元可以在小于25纳米乘25纳米的区域上编码。在基于激光的全光切换（AOS）中，磁编码比特通过单个超短激光脉冲在其“0”和“1”状态之间切换。为了实现AOS的全部潜力，特别是在更快的写入/擦除周期和提高的功率效率方面，需要了解如果磁性位的尺寸在纳米级上，它是否仍然可以完全光学反转

为了发生AOS，必须将磁性材料加热到非常高的温度，以便将其磁化强度降低到接近零。只有这样，它的磁化才能反转。AOS的扭曲之处在于，为了介导磁开关，只加热材料的电子，同时使原子核的晶格变冷就足够了。这正是光学激光脉冲的作用：它只与电子相互作用，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的散射而非常迅速地冷却，因此磁化强度必须在该特征时间尺度内足够快地降低，即AOS依赖于电子温度的演变和磁化强度的损失之间的谨慎平衡。很容易看出，当光学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小热区

由于它们只需要穿过纳米级的小距离，这一过程也发生在超快的时间尺度上，因此电子可能冷却得太快，磁化强度没有充分降低，AOS就会分解

一个国际研究小组通过将软X射线实验与原子自旋动力学计算相结合，首次成功地解决了“AOS的作用有多小”的问题。通过两个波长为8.3 nm的软X射线激光脉冲的干涉，他们在原型磁性材料GdFe的样品表面产生了一种极其短命的暗条纹和亮条纹激光

这使得暗区域和亮区域之间的距离仅减小到8.7nm。这种照射仅存在约40飞秒，导致GdFe中的热电子温度和冷电子温度的横向调制，具有相应的局部磁化损失

然后，科学家们可以在非常短的时间尺度上追踪这种模式是如何演变的，这是相关的。为此，具有8.3nm的相同波长的第三软X射线脉冲在与图案生成脉冲不同的时间延迟处衍射离开瞬态磁化图案

在这个特定的波长下，钆原子的电子共振使软X射线脉冲能够“感觉”到磁化的存在，因此可以用飞秒时间和亚纳米空间分辨率检测磁化的变化。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尺度上的超快能量传输

结果表明，在纳米级周期性激发下，GdFe合金中AOS的最小尺寸约为25nm。这种限制是由于超快的横向电子扩散，它在这些微小的长度尺度上快速冷却被照射的区域，并最终防止AOS

由于电子扩散导致的更快冷却可以通过增加激发功率在一定程度上得到补偿，但这种方法最终受到强激光束造成的结构损伤的限制。研究人员预计，25纳米的边界对于所有金属磁性材料来说都是相当普遍的