miércoles, 3 de marzo de 2010

Sondas ultra rápidas para imanes ultra pequeños

La física del estado sólido y la electrónica han avanzado enormemente en los últimos 50 años y este progreso se caracteriza por las palabras "más pequeños" y "más rápidos". Esto es particularmente evidente tanto en el magnetismo como en el tamaño de los bits en la tecnología de grabación magnética, que se está acercando a los 100 nm (nanometros), mientras que el tiempo de escritura en los estudios de laboratorio ha llegado a los 100 ps (picosegundos). Naturalmente, la comprensión por abajo de los 100 ps, la dinámica de la magnetización en una escala menor a 100 nm, se ha convertido en una cuestión de vital importancia para el desarrollo ulterior de los 50 mil millones de dólares por año involucrados en la industria magnética.

Figura 1: Configuración experimental que muestra un haz de electrones entrar en el ondulador del láser de electrones libres FLASH. El grupo oscilante genera un pulso de rayos X coherente, de 30 fs, por emisión espontánea auto-amplificada, que luego es dirigida hacia la muestra, una capa magnética de cobalto/platino. La longitud de onda del pulso es ajustada igual al filo del cobalto, para proporcionar un patrón de difracción magnética (recuadro). Gutt et al. son capaces de obtener un patrón de difracción con un solo pulso, sin dañar la muestra. (Adaptado de Gutt et al.)

¿Pueden ser los bits magnéticos más pequeños y ser escritos más rápido? ¿Cuáles son los límites extremos en el tamaño y la velocidad de conmutación magnética? La conmutación entre dos estados de espín se puede considerar como una transición de fase demagnética de primer orden. Supongamos que un imán es excitado por un estímulo muy breve menor que un picosegundo, con una duración mucho más corta que el tiempo de equilibrio térmico en el sistema de giro (aprox. 100 ps). Tal pulso lleva el medio a un estado de fuerte desequilibrio, donde una descripción convencional de los fenómenos magnéticos en términos de la termodinámica no es válida, una aproximación macrospin (en la que muchos giros se supone que se comportan como uno solo) no funciona y la dinámica se convierte en estocástica (un sistema que funciona principalmente por el azar).

Los primeros experimentos en la conmutación de pulsos magnéticos de subpicosegundos del campo magnético o de los láseres de infrarrojo cercano han confirmado estas expectativas; la dinámica de la magnetización observada fue totalmente diferente de los escenarios que se basan en el magnetismo clásico. El análisis teórico de fenómenos magnéticos ultrarrápidos parece ser extremadamente difícil. Los estudios experimentales de la dinámica ultrarrápida de un proceso estocástico en un imán menor de 100 nm son muy exigentes también. De hecho, el carácter estocástico del proceso estudiado excluye la posibilidad de un promedio en el experimento. Esto significa básicamente que para tal estudio sería necesario obtener una imagen magnética de una muestra en un plazo de un picosegundo de tiempo y con una resolución por abajo de 100 nm.

Hasta el momento, no ha habido ningún método que satisfaga estos requisitos. El microscopio de sonda de barrido sensible al espín, por ejemplo, puede llegar a una resolución espacial abajo de 100 nm, pero tiene muy pobre resolución temporal. Tampoco es adecuado para la investigación de los procesos estocásticos: el procedimiento de tomar una imagen de una muestra puede tardar unos segundos o incluso minutos. Como resultado de ello, la dinámica de la magnetización ultrarrápida en la nanoescala es un área inexplorada, la "terra incognita" del magnetismo moderno.

Christian Gutt y sus colegas, en la instalación del Láser de Electrones Libres (FLASH) en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Hamburgo, Alemania, en colaboración con científicos de varios institutos de investigación en Berlín, Hamburgo, Heidelberg, Remagen, y Karlsruhe, informan de un enfoque experimental que puede iniciar una revolución en la comprensión de los fenómenos magnéticos ultrarrápidos en la nanoescala. Escribiendo en la revista Physical Review B, muestran que mediante el uso de un solo pulso láser de 30 fs (femtosegundos) es posible sondear dominios magnéticos por abajo de 100 nm en una muestra de Co / Pt (Cobalto / Platino) multicapa (Figura 1). De hecho, Gutt et al. han demostrado un sondeo ultrarrápido de imanes sub-100 nm y por lo tanto han encontrado una clave para entrar en el mundo desconocido de la dinámica de rotación de femtosegundos en la escala nanométrica. ¿Cómo se hizo esto posible?

El progreso en la comprensión de la dinámica de la magnetización a nanoescala ha estado indisolublemente ligado al desarrollo de métodos de espín sensibles a los rayos X, así como a las fuentes de pulsos de radiación Roentgen. Gracias a Michael Faraday, quien descubrió el efecto de la magnetización de un medio sobre la polarización de la luz, la magneto-óptica en el espectro visible se ha convertido en una de las herramientas más populares para los estudios en magnetismo. Sin embargo, como las dimensiones entran en la nanoescala por debajo de 100 nm, la luz visible ya no es eficaz y se necesita la menor longitud de onda de los rayos X para ver el nanomundo magnético. Hace apenas 50 años era difícil imaginar que la resolución de tiempo en espectroscopía de rayos X magnética a nanoescala podía existir. Dado que los rayos X fueron generados principalmente por los tubos de rayos X, sólo radiación de baja intensidad, incoherente, así como no polarizada, estaba disponible. Sin embargo, las fuentes de rayos X han mejorado de forma espectacular, y a partir de la década de 1990, sincrotrones avanzados han sido capaces de producir brillantes pulsos de 50 ps de rayos X polarizados. Utilizando estas fuentes, son considerables los avances que se han logrado en la comprensión de la dinámica de la magnetización en nanosegundos en la sub-escala de 100 nm. Sin embargo, incluso estos nuevos sincrotrones son poco útiles para el estudio de la dinámica de la magnetización abajo de 100 ps en la nanoescala, ya que para este propósito son requeridos pulsos mucho más cortos de rayos X intensos.

El recientemente lanzado Láser de Electrones Libres en la instalación FLASH, en Hamburgo, es el primer láser de rayos X blandos en el mundo. Esta nueva fuente de rayos X es capaz de generar pulsos de 30 fs de radiación suave de rayos X polarizada y coherente, con alrededor de 1012 fotones por pulso. La corta duración del pulso, el brillo, la coherencia, y la polarización bien definida de la radiación de rayos X son los ingredientes principales que pueden permitir realizar la visualización por un solo disparo de femtosegundos en los dominios magnéticos abajo de 100 nm. En particular, se ha demostrado que si un pulso ultra brillante y coherente de rayos X ilumina una muestra, el patrón de difracción de campo resultante codificará la imagen de la muestra. Y esa imagen puede ser reconstruida a partir de los patrones de difracción en la limitada resolución espacial. La resolución temporal de imágenes de este tipo es determinada por la duración del pulso.

Hay que recordar que este enfoque requiere pulsos de rayos X muy breves y muy brillantes y la gran cantidad de energía depositada en la muestra en última instancia, lo convierten en un plasma. Sin embargo, hace tres años, Chapman et al. demostraron que la destrucción de la muestra no es un obstáculo para el ultrarrápido "destello de imagen por difracción" ("“flash diffractive imaging"). Se ha demostrado que un intenso pulso de rayos X de 25 fs produce un patrón de difracción coherente antes que la muestra sea destruída. La imagen de la muestra fue correctamente reconstruida a partir del patrón.

Gutt et al. ahora han dado el siguiente paso importante y aplicaron la idea de "destello de imagen por difracción" ultrarrápida para los estudios magnéticos. Al ajustar la longitud de onda del láser para una de las resonancias en cobalto, uno puede conseguir una absorción muy diferente de los rayos X en los dominios con diferentes orientaciones de espines. Por lo tanto, los rayos X, coherentes y polarizados, producen una difracción de una muestra y será formado un patrón de difracción de campo lejano. Los autores realizaron un análisis simple de este patrón, siendo capaces de extraer información acerca del tamaño de la distribución de los campos magnéticos. En contraste con los primeros experimentos (Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser, Nature physics, 12 nov 2006), Gutt et al. lograron obtener el patrón de difracción sin destrucción de la muestra, aunque esta haya alcanzado temperaturas máximas de alrededor de 600 °C. Un hallazgo muy importante de estos investigadores es el hecho de que el patrón de difracción se forma antes que las propiedades magnéticas de la muestra se alteren. Lamentablemente, Gutt et al. no pudieron obtener la imagen real de los dominios magnéticos. Sin embargo, la técnica demuestra claramente su capacidad de investigación de los dominios magnéticos por debajo de los 100 nm con un único pulso de rayos X de 30 fs.

En un futuro próximo, es probable que esta técnica, en combinación con las nuevas instalaciones de rayos X más recientes que vienen en línea (el recientemente inaugurado Acelerador Lineal con Fuente de Luz coherente en Stanford y el XFEL europeo, Láser de Rayos X por Electrones Libres, actualmente en construcción en Hamburgo) mejorarán nuestra comprensión de la dinámica de magnetización ultrarrápida y el control de magnetismo con láser de femtosegundo. Por ejemplo, se ha demostrado recientemente que un pulso de láser infrarrojo cercano polarizado circularmente de 100 fs, es capaz de generar inversión de magnetización en una aleación tierra rara / metal de transición (RE-TM, Renio-Tulio) a lo largo de una ruta ultrarrápida y completamente nueva, donde el pulso optomagnético primero convierte el medio en un estado magnético muy fuera del equilibrio sin magnetización neta. El origen de este estado fuertemente desequilibrado no se entiende. Un estudio experimental donde la aleación de RE-TM es primero excitada por un pulso de láser infrarrojo cercano de subpicosegundos, polarizado circularmente, y luego investigada por un simple pulso de rayos X, proporcionará nuevos conocimientos sobre la física de este fenómeno magnético ultra rápido. Debe tenerse en cuenta que FLASH genera impulsos con una duración de hasta 10 fs. Esto ya es comparable con el tiempo característico de la interacción de intercambio en los materiales magnéticos. Sería muy interesante emplear la especificidad elemental de técnicas de rayos X e investigar la dinámica de rotación de subredes TM y RE en una escala de tiempo pertinente para el momento de la interacción de intercambio entre ellas. El registro de imagen magnético, con un disparo simple ultrarrápido de rayos X informado por Gutt et al. nos permite tener una mirada más cercana en el último problema en el magnetismo, la comprensión de la interacción de intercambio en sí.



Traducido de:
Ultrafast probes for ultrasmall magnets (Physics)

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