Природа намагничивания лазером

Пять лет назад группа физиков Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф во главе с его сотрудником Рантеджом Бали (Rantej Bali) обнаружила интересное физическое явление — при облучении лазером тонкого слоя железа с алюминием немагнитный сплав вдруг становился магнитным. Исследования показали, что короткий импульс перераспределял атомы кристаллического сплава так, что атомы железа приближались друг к другу и образовывали магнитный материал. Снова превратить его в немагнитный удавалось с помощью последовательности более слабых импульсов. Таким образом исследователи смогли создавать и стирать небольшие пятна магнитного поля в металлических пленках. Однако насколько универсально это явление и какова его динамика, было непонятно.

Для дальнейшего изучения явления физики объединились в команду с сотрудниками Лазерного института Университета прикладных наук Миттвайда, которую возглавил Тео Флюг (Theo Pflug). На этот раз объектом исследования был сплав железа с ванадием. Атомы в нем, в отличие от хорошо упорядоченной решетки железа с алюминием, расположены более хаотично и образуют аморфную структуру, похожую на структуру стекла. Явление осталось неизменным — лазерный импульс делал область облучения магнитной.

Чтобы выяснить механизмы процесса, физики использовали слабый пробный луч, который направляли на пятно облучения. По изменению энергии отраженного луча они отслеживали динамику коэффициента отражения. Она связана с изменением физических свойств пятна, в частности с концентрацией возбуждаемых в нем электронов. Разная задержка пробного импульса относительно мощного модифицирующего импульса позволила детально изучить временной ход процесса.

Для обоих сплавов ученые установили, что в момент облучения поверхность быстро плавится и быстро остывает, превращаясь в магнитную фазу. В течение фемтосекунд лазерный импульс возбуждает электроны, которые спустя несколько пикосекунд передают свою энергию атомным ядрам и вызывают их пространственное перераспределение и расплав длительностью 0,2 наносекунды. Затем при охлаждении жидкий материал застывает в магнитное соединение. Таким образом лазерный расплав «стирает» предыдущую структуру.

Область приложения результатов исследования ясна уже сейчас. Этап лазерного облучения легко встроить в современные полупроводниковые технологии. Он позволит быстро получать небольшие магниты на пленках металлов. Они пригодятся для небольших сенсоров, подобных тем, которые сегодня установлены в автомобильных датчиках оборотов и скорости вращения. Возможно также применение для магнитного хранения данных и спинтроники.

Ученые продолжают исследовать явление. Они планируют эксперименты по изучению перегруппировки атомов в момент лазерного импульса с помощью интенсивных рентгеновских лучей. Об исследовании рассказал журнал Advanced Functional Materials.