Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаНамагничивание лазерным импульсом: футуристический поворот в материаловедении

Намагничивание лазерным импульсом: футуристический поворот в материаловедении

- Advertisement -

Если сильный лазерный импульс попадает на сплав железа, материал ненадолго плавится в точке облучения и образуется крошечная магнитная область. Фото: HZDR / Сандер Мюнстер

Исследовательская группа обнаружила, что ультракороткие лазерные импульсы могут намагничивать сплавы железа. Это открытие имеет значительный потенциал для применения в технологии магнитных датчиков, хранении данных и спинтронике.

Чтобы намагнитить железный гвоздь, нужно просто несколько раз провести по его поверхности стержневым магнитом. Однако есть гораздо более необычный метод: команда под руководством Гельмгольц-Центр Дрезден-Россендорф (HZDR) некоторое время назад обнаружил, что некое железо сплав можно намагничивать ультракороткими лазерными импульсами. Теперь исследователи объединились с Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) для дальнейшего изучения этого процесса. Они обнаружили, что это явление происходит и с материалами другого класса, что значительно расширяет потенциальные перспективы применения. Рабочая группа представляет свои выводы в научном журнале Передовые функциональные материалы.

Прорывное открытие в области намагничивания

Неожиданное открытие было сделано еще в 2018 году. Когда команда HZDR облучила тонкий слой железо-алюминиевого сплава ультракороткими лазерными импульсами, немагнитный материал внезапно стал магнитным. Объяснение: лазерные импульсы перестраивают атомы в кристалле таким образом, что атомы железа сближаются друг с другом, образуя таким образом магнит. Затем исследователям удалось снова размагнитить слой серией более слабых лазерных импульсов. Это позволило им открыть способ создания и стирания крошечных «магнитных пятен» на поверхности.

Однако пилотный эксперимент все еще оставил некоторые вопросы без ответа. «Было неясно, проявляется ли этот эффект только в железо-алюминиевом сплаве или также в других материалах», — объясняет физик HZDR доктор Рантей Бали. «Мы также хотели попробовать отслеживать ход процесса во времени». Для дальнейшего расследования он объединился с доктором Тео Пфлюгом из LHM и коллегами из Университета Сарагосы в Испании.

Раскладная книга с лазерными импульсами

Эксперты остановились конкретно на железо-ванадиевом сплаве. В отличие от железоалюминиевого сплава с регулярной кристаллической решеткой, атомы железованадиевого сплава расположены более хаотично, образуя аморфную стеклоподобную структуру. Чтобы наблюдать, что происходит при лазерном облучении, физики использовали специальный метод: метод накачки-зонда.

«Сначала мы облучаем сплав сильным лазерным импульсом, который намагничивает материал», — объясняет Тео Пфлуг. «Одновременно мы используем второй, более слабый импульс, который отражается от поверхности материала».

Анализ отраженного лазерного импульса дает представление о физических свойствах материала. Этот процесс повторяется несколько раз, при этом временной интервал между первым «накачивающим» импульсом и последующим «зондирующим» импульсом постоянно увеличивается.

В результате получают временной ряд данных отражения, позволяющий охарактеризовать процессы, запускаемые лазерным возбуждением. «Вся процедура аналогична созданию флип-книги», — говорит Пфлуг. «Аналогично, это серия отдельных изображений, которые оживляются при быстром просмотре».

Быстрое плавление

Результат: хотя он имеет другую атомную структуру, чем соединение железа с алюминием, сплав железа с ванадием также можно намагничивать с помощью лазера. «В обоих случаях материал ненадолго плавится в точке облучения», — объясняет Рантей Бали. «Это заставляет лазер стирать предыдущую структуру, так что в обоих сплавах создается небольшая магнитная область».

Обнадеживающий результат: по-видимому, это явление не ограничивается конкретной структурой материала, но может наблюдаться в различных атомных расположениях.

Команда также отслеживает временную динамику процесса: «По крайней мере, теперь мы знаем, в каких временных масштабах что-то происходит», — объясняет Тео Пфлюг. «В течение фемтосекунд лазерный импульс возбуждает электроны в материале. Спустя несколько пикосекунд возбужденные электроны передают свою энергию атомным ядрам».

Следовательно, эта передача энергии вызывает перестройку в магнитную структуру, которая стабилизируется последующим быстрым охлаждением. В последующих экспериментах исследователи стремятся наблюдать, как именно атомы перестраиваются, исследуя процесс намагничивания с помощью интенсивных рентгеновских лучей.

Взгляды на приложения

Хотя эта работа все еще находится на ранних стадиях, она уже дает первоначальные идеи для возможных применений: например, возможно размещение крошечных магнитов на поверхности чипа с помощью лазера. «Это может быть полезно для производства чувствительных магнитных датчиков, например тех, которые используются в транспортных средствах», — предполагает Рантей Бали. «Он также может найти возможные применения в магнитном хранении данных».

Кроме того, это явление представляется актуальным для нового типа электроники, а именно спинтроники. Здесь магнитные сигналы должны использоваться для цифровых вычислительных процессов вместо электронов, проходящих через транзисторы, как обычно, что предлагает возможный подход к компьютерным технологиям будущего.

Ссылка: «Лазерное позиционное и химическое переупорядочение решетки, порождающее ферромагнетизм» Тео Пфлюга, Хавьера Пабло-Наварро, доктора Шабада Анвара, Маркуса Ольбриха, Сезара Магена, Мануэля Рикардо Ибарра, Кей Поцгера, Юргена Фассбендера, Юргена Линднера, Александра Хорна и Рантедж Бали, 21 ноября 2023 г., Передовые функциональные материалы.
DOI: 10.1002/adfm.202311951

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме