Cahaya Terpolarisasi Membuka Penyimpanan Data Ultracepat dan Spintronik

Penelitian baru memperkenalkan metode non-termal untuk magnetisasi menggunakan cahaya XUV terpolarisasi melingkar, yang menginduksi perubahan magnetisasi signifikan melalui efek Faraday terbalik, yang berpotensi mengubah penyimpanan data ultracepat dan spintronik.

Pulsa laser yang kuat dapat digunakan untuk memanipulasi atau bahkan mengubah orientasi magnetisasi suatu material dalam skala waktu yang sangat singkat. Biasanya, efek tersebut disebabkan oleh panas, karena energi laser yang diserap memanaskan material dengan sangat cepat, yang menyebabkan gangguan yang sangat cepat pada tatanan magnetik.

Para ilmuwan dari Max Born Institute (MBI), yang bekerja sama dengan tim peneliti internasional, kini telah menunjukkan pendekatan non-termal yang efektif untuk menghasilkan perubahan magnetisasi yang besar. Dengan memaparkan besi ferrimagnetik ke gadolinium paduan terhadap pulsa terpolarisasi melingkar dari radiasi ultraviolet ekstrem (XUV), mereka dapat mengungkap respons magnetik yang sangat kuat tergantung pada arah semburan cahaya XUV yang masuk (polarisasi melingkar kiri atau kanan).

Mekanisme yang mendasarinya didasarkan pada efek Faraday terbalik, yang tidak bergantung pada penyerapan cahaya, tetapi memberikan interaksi yang efisien antara polarisasinya dan momen magnetik dalam material.

Mengendalikan Magnetisme dengan Cahaya Terpolarisasi

Ketika pulsa laser yang kuat mengenai medium yang termagnetisasi, efeknya pada magnetisasi biasanya dapat dikaitkan dengan jumlah energi yang dimasukkan ke dalam material saat diserap. Secara mikroskopis, hal ini sesuai dengan eksitasi optik elektron, yang dengan cepat menjadi tidak seimbang dan mulai saling berhamburan dan kuasipartikel lainnya, mengubah putaran elektron dan momentum orbital dan dengan demikian magnetisasi jarak jauh.

Sementara mekanisme tersebut memunculkan beragam fenomena menarik, termasuk demagnetisasi ultracepat dan peralihan magnetisasi yang diinduksi laser, mekanisme tersebut mengorbankan beban termal yang besar pada material, yang membatasi aplikasi teknologi yang membutuhkan tingkat pengulangan cepat, misalnya, untuk operasi baca/tulis dalam teknologi penyimpanan data masa depan.

Efek Faraday Terbalik dan Fenomena Opto-Magnetik

Sebuah tim peneliti internasional, yang dipimpin oleh para ilmuwan dari MBI, kini telah mempelajari jalur nontermal yang sama sekali berbeda untuk memanipulasi magnetisme dengan cahaya. Pendekatan mereka didasarkan pada fenomena optomagnetik yang tidak bergantung pada pemanasan elektronik yang disebabkan oleh penyerapan cahaya, tetapi lebih pada interaksi langsung dan koheren antara polarisasi cahaya dan putaran elektronik.

Mekanisme yang mendasarinya adalah efek Faraday terbalik (IFE), yang mengarah pada pembentukan momen magnetik dalam medium yang secara optik tereksitasi oleh radiasi terpolarisasi melingkar, dengan arah magnetisasi tergantung pada ke kiri atau ke kanan polarisasi melingkar, yaitu, heliksitasnya. Namun, karena sifat metalik dan kapasitas penyerapan yang tinggi dari sebagian besar bahan feromagnetik dan antiferomagnetik biasanya menekan efek nontermal yang disebutkan di atas, teknik khusus harus dikembangkan untuk menghasilkan respons optomagnetik yang cukup besar.

Dengan menggunakan pulsa femtodetik terpolarisasi melingkar dari radiasi ultraviolet ekstrem (XUV), yang dihasilkan pada laser elektron bebas FERMI, para ilmuwan mampu menunjukkan pembentukan magnetisasi yang sangat kuat yang diinduksi IFE dalam paduan ferrimagnetik besi-gadolinium (FeGd) metalik. Hal ini dimungkinkan karena tingginya foton Energi radiasi XUV, yang memungkinkan eksitasi resonansi elektron tingkat inti yang terikat erat, yang karena sifat intrinsiknya (khususnya, kopling spin-orbit yang kuat) memfasilitasi pembangkitan efek opto-magnetik yang besar.

Gambar 2: Perbandingan efek heliksitas terbesar yang diamati secara eksperimental ΔMexp (berlian kuning, skala kiri) dengan respons IFE terhitung ΔIFE (garis biru kehijauan, skala kanan) sebagai fungsi energi foton XUV. ΔMsim (berlian merah, skala kiri) menunjukkan pengaruh yang diharapkan dari XMCD (garis biru) pada dinamika magnetisasi, yang terlalu kecil untuk menjelaskan efek yang diamati. Kredit: MBI / M. Hennecke

Mendemonstrasikan Perubahan Magnetisasi Besar Menggunakan XUV

Dengan pendekatan ini, para ilmuwan mampu menunjukkan bahwa, untuk energi foton XUV yang berbeda di sekitar Fe M_3.2 resonansi tingkat inti, magnetisasi yang diinduksi IFE dapat mencapai hingga 20-30% dari magnetisasi keadaan dasar paduan, diukur dari perbedaan antara demagnetisasi yang sangat cepat yang diinduksi untuk heliksitas berlawanan dari pulsa XUV terpolarisasi melingkar (Gambar 1).

Didukung oleh teori ab initio dan simulasi dinamika spin, dapat juga ditunjukkan bahwa efek yang diamati sejalan dengan respons IFE yang diharapkan (Gambar 2) dan tidak dapat dijelaskan oleh mekanisme yang hanya mengandalkan heliksitas termal, seperti dikroisme sirkular magnetik sinar-X (XMCD) yang mapan.

Menyediakan metode yang efisien untuk pembangkitan non-termal magnetisasi besar pada skala waktu sangat cepat, temuan ini diharapkan memiliki relevansi tinggi untuk bidang magnetisme sangat cepat dan spintronik, serta kontrol magnetisasi koheren dan ilmu interaksi sinar-X-materi nonlinier.

Referensi: “Efek opto-magnetik ultracepat dalam rentang spektrum ultraviolet ekstrem” oleh Martin Hennecke, Clemens von Korff Schmising, Kelvin Yao, Emmanuelle Jal, Boris Vodungbo, Valentin Chardonnet, Katherine Légaré, Flavio Capotondi, Denys Naumenkooliz, Emanucio Lopez-Quintas, Ivaylo P. Nikolov, Lorenzo Raimondi, Giovanni De Ninno, Leandro Salemi, Sergiu Ruta, Roy Chantrell, Thomas Ostler, Bastian Pfau, Dieter Engel, Peter M. Oppeneer, Stefan Eisebitt dan Ilie Radu, 14 Juni 2024, Fisika Komunikasi.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1038/s42005-024-01686-7