Терагерцовый лазер, разработанный в Институте Пауля Шеррера, позволяет целенаправленно управлять намагничиванием материала в пикосекундных периодах. В своем эксперименте исследователи направляли очень короткие световые импульсы лазера на намагниченный материал. Магнитное поле светового импульса могло отклонить магнитные моменты от их положения покоя таким образом, что они точно следовали курсу магнитного поля лазера с небольшой задержкой. Терагерцовый лазер, использованный в эксперименте, является одним из самых мощных лазеров такого типа в мире.
В настоящее время большая часть данных хранится на магнитных носителях, например на жестких дисках. Бит, наименьшее количество информации, хранится в направлении намагничивания небольшого участка носителя информации. Можно представить, что внутри такого магнитного материала находится множество крошечных магнитов - магнитных моментов. Если вы хотите изменить информацию, вы должны изменить направление моментов. А для того, чтобы иметь возможность быстро хранить большие объемы данных, необходимы методы, с помощью которых направления намагниченности в материале можно быстро изменить.
Намагничивание во времени с помощью терагерцового лазера
Исследователи из Института Пауля Шеррера и Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EPFL) в сотрудничестве с коллегами из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже изучили новый подход, с помощью которого можно определить намагниченность материала. быть измерено во временной области пикосекунд (0,000 000 000 001 секунды), можно контролировать конкретно. Для этого они использовали недавно разработанный лазер, генерирующий очень короткие импульсы света в терагерцовом диапазоне. Как и все электромагнитное излучение, свет состоит из электрического и магнитного полей, оба из которых меняются очень быстро и, таким образом, попеременно указывают то одно, то другое направление - в свете терагерцового лазера направление меняется примерно 1 000 000 000 000 раз в секунду. Если вы облучаете намагниченный материал этим светом, то изменяющееся магнитное поле в лазерном свете может изменить направление намагниченности в материале - подобно тому, как вы держите магнит иногда с одной стороны к стрелке компаса, а иногда с другой. Только здесь эта перестройка происходит очень быстро - менее чем за пикосекунду.
В своем эксперименте исследователи использовали чрезвычайно короткие «вспышки» терагерцового света. В отличие от света обычных лазеров, терагерцовый свет не нагревает магнитный образец, что позволяет точно манипулировать намагниченностью. Используемые терагерцовые вспышки были настолько короткими, что магнитное поле как раз успевало указать один раз в одном направлении и один раз в другом. В результате магнитные моменты в экспонированном материале отклонялись сначала в одну, а затем в другую сторону. С небольшой задержкой они точно следовали курсу магнитного поля во вспышке света.
Идентичные импульсы
Терагерцовый лазер был разработан в лазерной группе проекта SwissFEL в Институте Пауля Шеррера. Еще несколько лет назад практически не было мощных терагерцовых лазеров - говорили даже о терагерцовой щели. «Мы используем специальные органические кристаллы для нашего лазера, которые уменьшают частоту лазерного излучения», - говорит Кристоф Хаури, глава лазерной группы и профессор EPFL, объясняя идею системы. «Если мы направим на кристалл сильный лазер с высокой частотой, он излучает излучение в терагерцовом диапазоне.» Лазер является одним из самых мощных в мире. Важным для экспериментов было еще одно свойство лазера - его фазовая стабильность. Это означает, что вы можете точно определить, как изменение магнитных полей происходит в пределах отдельного импульса, и что вы можете надежно воспроизводить эту форму импульса снова и снова. Разработка стала возможной благодаря успешному сотрудничеству со швейцарским промышленным партнером Rainbow Photonics AG.
Лазерная вспышка в представленном эксперименте еще недостаточно интенсивна, чтобы полностью перевернуть намагниченность; можно было только наблюдать динамику, т. е. движение намагниченности. Тем не менее, эксперимент является чрезвычайно важной подцелью, чтобы продемонстрировать концепцию сверхбыстрого и точного управления магнетизмом с помощью лазера. Хаури уверен, что намагниченность можно будет полностью изменить в ближайшем будущем. «Есть приемы, с помощью которых можно усилить поля слабого лазера до такой степени, что можно будет переключать намагниченность». сначала слабо в одном направлении, затем сильно в другом и, наконец, снова слабо в первом. Если только центральная мощная часть импульса достаточно сильна, чтобы изменить намагниченность, такие импульсы можно было бы использовать для повторного намагничивания материалов. Такие точно определенные импульсы теперь доступны в PSI.
Часть проекта SwissFEL
В Институте Пауля Шеррера разработка терагерцового лазера является частью проекта SwissFEL, в рамках которого рентгеновский лазер SwissFEL строится как новая крупномасштабная установка в PSI. Он будет генерировать лазерный свет в рентгеновском диапазоне и сделает видимыми многие процессы в материи, недоступные сегодня. Терагерцовые лазеры должны использоваться в двух местах. С одной стороны, они помогут измерить свойства рентгеновского луча во время работы. С другой стороны, в опытах, в которых, например, наблюдают за ходом химических реакций, они дадут, так сказать, исходный сигнал для реакции, промежуточное состояние которой впоследствии будет определено с помощью рентгенографии. лазер.