Et internationalt team er lykkedes på Bessy II for første gang for at belyse, hvordan ultrahurtigt spin-polariserede strømpulser kan karakteriseres ved at måle den ultrahastede demagnetisering i et magnetisk lagsystem inden for de første hundreder af femtosekunder.
Udgivet i tidsskriftet NaturkommunikationResultaterne er nyttige til udvikling af spintroniske enheder, der muliggør hurtigere og mere energieffektiv informationsbehandling og -opbevaring. Samarbejdet involverede hold fra University of Strasbourg, HZB, Uppsala University og flere andre universiteter.
Spintroniske komponenter er ikke baseret på bevægelige ladninger, men på ændringer i orienteringen af magnetiske øjeblikke, såsom elektronspins. Spin-strømbaserede enheder kan derfor fungere ekstremt hurtigt, i øjeblikket på tidsskalaer på op til hundrede picosekunder. De mikroskopiske processer løber imidlertid i sig selv meget hurtigere i området for et par hundrede femtosekunder.
Magnetiske lag danner en spinventil
Nu har et internationalt team ledet af prof. Christine Boeglin, University of Strasbourg, været i stand til at eksperimentelt observere nogle af disse særligt interessante dynamiske processer i et magnetisk lagsystem for første gang. De undersøgte et såkaldt spin-ventil bestående af skiftende lag af platin-kobolt og et jern-gadoliniumlegeringslag.
I dette system er interaktioner mellem ophidsede (varme) elektroner og magnetiske lag særlig stærke. Første forfatter Deeksha Gupta og hendes kolleger gennemførte eksperimenterne på Femtoslicing Station på Bessy II sammen med HZB -teamet, der driver denne verdensomspændende unikke infrastruktur.
Med en femtosekund infrarød laser (IR) genererede de varme elektroner (HE) i et platinum (PT) toplag. Et tykt kobberlag (Cu, 60 nm) sikrer, at kun han pulser når co/pt-laget foran på spinventilen, der fungerede som en spin-polarisator, hvilket genererer spin-polariseret han pulser (sfte).
Femtoslicing Beamline tilbyder unikke muligheder
Holdet var i stand til at karakterisere disse Sphe -impulser ved at analysere demagnetiseringsdynamikken inden for FE74Gd26 Ferrimagnetisk lag i slutningen af spinventilen.
For at gøre dette brugte de metoder, der kun er tilgængelige i denne kombination på Bessy II: “Takket være de unikke kapaciteter i den femtoslicerende stråle på Bessy II, kan vi separat undersøge den ultrahastede spin-dynamik for hver komponent i et komplekst prøvesystem,” siger HZB-videnskabsmand Christian Schüßler-Langeheine.
Holdet brugte Ultrashort (~ 100 fs) bløde røntgenpulser, der var indstillet til resonanser af jern- og gadoliniumatomer, registrerede deres respektive dynamiske reaktioner på sfugelpulser.
Ved hjælp af teoretiske modeller udviklet af et team ledet af O. Eriksson ved Uppsala University var det muligt at bestemme de afgørende parametre for de sPHE -strømpulser, især pulsvarigheden, spin -polarisationsretningen og de aktuelle tætheder, der kræves for at gengive de eksperimentelle resultater.
Deeksha Gupta, der udførte eksperimenterne som en del af sin ph.d., er nu tilsluttet HZB som postdoktorisk forsker, hvor hun vil fortsætte med at udforske magnetiske materialer. Hun siger, “Dette er et hurtigt udviklende felt. For første gang har vi været i stand til virkelig at kaste lys over opførelsen af spinstrømme i komplekse magnetiske materialer. Dette kunne bane vejen for hurtigere teknologiske udviklinger.”