Физики научились включать и выключать ферромагнетизм лазером

Физики обнаружили, что в пленке нанометровой толщины из сплава алюминия и железа лазерным пучком можно обратимо включать и выключать ферромагнетизм. Переход из парамагнитного в ферромагнитное состояние и обратно в такой системе возможен за счет перехода из кристаллического состояния в переохлажденное с усиленным взаимодействием между атомами железа, пишут ученые в статье в ACS Applied Materials & Interfaces.

Большинство современных устройств для записи и хранения информации основаны на использовании ферромагнетиков. Основу этих материалов составляет доменная структура, в которой общий магнитный момент возникает не у отдельных атомов, а у довольно крупных областей. Этот магнитный момент сохраняется даже при больших внешних полях, поэтому в системе из ферромагнитных элементов с помощью направленных в нужную сторону магнитных моментов можно хранить информацию. В качестве одного из способов управления состоянием ферромагнитных элементов в устройствах для записи информации ученые предлагают использовать лазерное излучение, с помощью которого можно менять направление намагниченности отдельных ячеек. Изменяются при этом не магнитные свойства самого материала, а только направление его магнитного момента.

Физики из Германии, США, Португалии, России и Швейцарии под руководством Рантея Бали (Rantej Bali) из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф нашли способ, с помощью которого лазером можно менять в тонких магнитных пленках не направление намагниченности, а полностью включать или выключать в них ферромагнитный порядок. Для этого ученые использовали пленку толщиной в несколько десятков нанометров из сплава железа и алюминия состава Fe₆₀Al₄₀, которую облучали короткими лазерными импульсами длиной волны 800 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд и частотой 2,5 мегагерца. Диаметр облученной области составлял около двух микрометров и при правильном подборе энергии лазерного пучка импульсы обратимо включали и выключали в ней ферромагнитный порядок, что можно было зафиксировать с помощью измерений рентгеновского кругового дихроизма.

Такое переключение оказалось возможным благодаря тому, что у использованного авторами сплава железа и алюминия при комнатной температуре может образоваться две разных фазы: парамагнитная кристаллическая и ферромагнитная разупорядоченная. В устойчивом состоянии этот материал имеет кристаллическую структуру, в которой слои атомов железа и алюминия чередуются и обладают парамагнитными свойствами, однако при внешнем воздействии в сплаве может появиться ферромагнитный порядок за счет перехода в переохлажденное разупорядоченное состояние и усиления взаимодействия между атомами железа.

Таким внешним воздействием, как оказалось, может быть облучение лазером, в результате которого парамагнитные свойства сменяются ферромагнитными или наоборот. Так, с помощью более высокоэнергетических импульсов (плотностью больше 300 или 400 миллиджоулей на квадратный сантиметр для пленок разной толщины) можно перевести материал в ферромагнитное состояние, а с помощью импульсов меньшей энергии (например 200 миллиджоулей на квадратный сантиметр) — наоборот, снять всю намагниченность, превратив пленку в парамагнитную.

По утверждениям авторов работы, лазер выполняет функцию локального нагревателя, который может на короткое время расплавить кристалл и перевести пленку в переохлажденное ферромагнитное состояние или наоборот — в кристаллическое. При этом основное отличие между двумя типами облучения состоит в том, какая часть пленки плавится во время импульса. В первом случае — локальное плавление происходит во всей толщине кристалла, а во втором — плавится только небольшая область вблизи облученной поверхности. Стоит отметить, что даже один низкоэнергетический лазерный импульс уменьшает намагниченность образца, однако для полного перехода необходима последовательность примерно из 100 тысяч импульсов.

При этом намагниченность образца полностью зависит от внешнего поля: при отсутствии магнитного поля образуется многодоменная структура, а при наличии внешнего поля намагниченность зависит от его направления и величины. В будущем авторы планируют использовать для подобных переходов не единственный лазер, а целую систему интерферирующих лазерных пучков, благодаря которой в пленке можно будет создавать сложные упорядоченные ферромагнитные решетки большой площади.

Если для трехмерных материалов, пусть даже и в виде пленок нанометровой толщины, ферромагнитное состояние наблюдается достаточно часто, то произвести переход в упорядоченное магнитное состояние в настоящих двумерных системах очень сложно. С точки зрения классической теории такое упорядочение невозможно, и до недавнего времени ферромагнетизм наблюдался только в квазидвумерных системах, однако в прошлом году американские физики обнаружили ферромагнетизм и в настоящем двумерном кристалле — теллуриде хрома и германия.

Александр Дубов