Используемый в эксперименте терагерцовый лазер — один из самых мощных в мире. Особенностью является то, что он является фазостабильным, что позволяет надежно определять точное изменение электрического и магнитного поля в пределах отдельных импульсов для каждого лазерного импульса. Поскольку в наши дни большая часть данных хранится на магнитах, возможность быстрого изменения намагниченности материала имеет решающее значение для новых, быстрых систем хранения. О своих результатах исследователи сообщают журналу Nature Photonics.
В наши дни большая часть данных хранится на магнитах, например, на жестких дисках. Таким образом, бит, наименьшее количество информации, сохраняется в направлении намагничивания небольшого участка носителя данных. Можно представить, что такой магнитный материал содержит множество мельчайших магнитов — магнитных моментов. Если кто-то хочет изменить информацию, он должен изменить направление моментов.
А для того, чтобы иметь возможность хранить большие объемы данных, необходимы процессы, позволяющие быстро изменять направление намагничивания в материале.Намагничивание во времени с помощью терагерцового лазера
Исследователи из Института Поля Шеррера (PSI) и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) совместно с французскими коллегами из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже изучили новый подход, который позволяет намагничивать материал. контролируется в масштабе пикосекунд (0,000,000,000,001 секунда). Для этого они использовали недавно разработанный лазер, который генерирует очень короткие световые импульсы в терагерцовом диапазоне.
Как и все электромагнитное излучение, свет состоит из электрического и магнитного полей, которые очень быстро меняют свое направление — в свете терагерцового лазера направление меняется примерно 1 000 000 000 000 раз в секунду. Если вы направите этот свет на магнитный материал, переменное магнитное поле в лазерном свете может изменить направление намагничивания материала — так же, как если бы вы держали магнит с одной стороны стрелки компаса, а затем с другой, разница здесь это перестройка происходит в течение чрезвычайно короткого промежутка времени: менее одной пикосекунды.
В своем эксперименте исследователи использовали чрезвычайно короткие «вспышки» терагерцового света. В отличие от света обычных лазеров, терагерцовый свет не нагревает магнитный образец, что, как оказывается, необходимо для точного управления намагниченностью. Используемые терагерцовые вспышки были настолько короткими, что магнитное поле почти успевало указывать то в одном направлении, то в другом. В освещенном материале магнитные моменты в результате отклонялись: сначала в одну сторону, затем в другую.
Таким образом, они отслеживали изменение магнитного поля в терагерцовой вспышке точно с крошечной задержкой.Идентичные импульсыТерагерцовый лазер был разработан лазерной группой в рамках проекта SwissFEL в Институте Пауля Шеррера.
Еще несколько лет назад сильных терагерцовых лазеров почти не существовало — даже говорили о терагерцовом промежутке. «Мы используем специальные органические кристаллы для наших лазеров, которые уменьшают частоту лазерного излучения», — говорит Кристоф Хаури, руководитель группы лазеров и профессор EPFL, объясняя идею, лежащую в основе оборудования. «Если мы посветим на кристалл с помощью мощного лазера с высокой частотой, он испускает излучение в терагерцовом масштабе». Лазер — один из самых мощных в мире. Еще одним важным для экспериментов свойством лазера является его фазовая стабильность, что означает, что можно точно указать, как происходит изменение магнитного поля в пределах отдельного импульса, и что эту форму импульса можно воспроизводить снова и снова. Разработка стала возможной благодаря успешному сотрудничеству со швейцарским промышленным партнером Rainbow Photonics AG.
Лазерная вспышка в представленном эксперименте еще недостаточно интенсивна, чтобы полностью изменить намагниченность; вы можете просто наблюдать динамику, то есть движение намагниченности. Однако этот эксперимент является чрезвычайно важной вехой для демонстрации концепции сверхбыстрого и точного манипулирования магнетизмом с помощью лазера. Хаури уверен, что можно добиться полного переворота магнетизма. «Существуют уловки, позволяющие усилить поля слабого лазера до такой степени, чтобы они могли переключать намагниченность».
Это также потребует выбора специальной формы импульса и генерации импульса, при котором магнитное поле сначала слабо направлено в одном направлении, затем сильно в другом, а затем снова слабо направлено обратно в исходном направлении. Если бы только средняя интенсивная часть импульса была достаточно сильной, чтобы перевернуть намагничивание, можно было бы использовать такие импульсы для повторного намагничивания материалов. Такие точно определенные импульсы теперь доступны в PSI.
Часть проекта SwissFELВ Институте Пауля Шеррера разработка терагерцового лазера является частью проекта SwissFEL, где рентгеновский лазер SwissFEL строится в качестве новой крупномасштабной установки PSI. Он будет излучать лазерный свет в рентгеновском масштабе и, таким образом, сделает видимыми в материале многие процессы, недоступные при использовании сегодняшних методов исследования.
Там предполагается использование терагерцовых лазеров в двух местах. С одной стороны, они будут использоваться для измерения свойств рентгеновского луча в процессе работы.
С другой стороны, они могут быть использованы для инициирования реакций в экспериментах, где промежуточное состояние должно быть определено позже с помощью рентгеновского лазера.