Магнитные поля имеют фундаментальное значение для контроля намагниченности материалов. В статических или медленно меняющихся условиях намагниченность материала совпадает с внешним полем подобно стрелке компаса. Однако совершенно новая динамика намагничивания возникает, когда магнитные поля изменяются в сверхбыстрых временных масштабах - быстрее, чем время отклика материала. Эти быстрые переходные процессы представляют большой интерес для фундаментальных исследований неравновесных состояний вещества и для потенциальных применений в магнитной памяти следующего поколения, где критически важна более высокая скорость записи.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа разработала новое сверхпроводящее устройство, способное создавать сверхбыстрые однополярные скачки магнитного поля - внезапные изменения магнитного поля с пикосекундным нарастанием и сверхнаносекундным затуханием. "Наша цель - создать универсальный, сверхбыстрый стимул, который может переключать любой магнитный образец между стабильными магнитными состояниями", - говорит ведущий автор Джованни Де Векки. "Этот прорыв может привести к прогрессу как в фундаментальной науке, так и в технике".

Использование сверхпроводников для сверхбыстрых магнитных шагов

Команда, возглавляемая Андреа Каваллери, добилась этого, быстро погасив сверхтоки в сверхпроводящем тонком диске yba₂cu₃o, подвергнутом воздействию внешнего магнитного поля. Сверхтоки естественным образом образуются для вытеснения магнитных полей из сверхпроводников. "Резко прерывая эти токи с помощью ультракоротких лазерных импульсов, мы могли бы генерировать сверхбыстрые скачки магнитного поля со временем нарастания примерно в одну пикосекунду - одну триллионную долю секунды", - говорит соавтор Грегор Йотцу.

"Разработка метода отслеживания этих магнитных переходных процессов в режиме реального времени была серьезной проблемой", - объясняет соавтор Мишель Буцци. Для достижения этой цели исследователи поместили наблюдательный кристалл рядом со сверхпроводящим образцом. Оптические свойства кристалла изменяются в ответ на локальное магнитное поле. Этот эффект позволяет команде отслеживать эволюцию магнитного поля, анализируя вращение поляризации фемтосекундного лазерного импульса. "Благодаря такому подходу мы достигли субпикосекундного разрешения и беспрецедентной чувствительности", - добавляет соавтор Себастьян Фава.

К сверхбыстрому магнитному переключению

Хотя нынешние магнитные ступени еще не обеспечивают полного переключения намагничивания, исследователи полагают, что оптимизация геометрии устройства может увеличить амплитуду и скорость переходных процессов магнитного поля. "При соответствующих усовершенствованиях мы предполагаем применение в самых разных областях - от управления фазовыми переходами до полного переключения параметров магнитного порядка", - говорит Андреа Каваллери.

Deutsche Forschungsgemeinschaft поддержало исследование через Кластер передового опыта CUI: Advanced Imaging of Matter. MPSD является членом Центра лазерной науки на свободных электронах (CFEL), совместного предприятия DESY и Гамбургского университета. Исследование проводилось в сотрудничестве с Алексеем Кимелем, профессором Университета Радбуда.