Ny metod gör det möjligt att mäta ultrasnabba magnetiska förändringar

Hur kan det i en framtid, med ökande behov av att lagra digital information, bli möjligt att mäta om magnetiska bits switchar tillräckligt fort i till exempel allt kraftfullare hårddiskar? I ett samarbete har fysiker från bland Uppsala universitet utvecklat en exakt metod för att mäta ultrasnabba förändringar av magnetiska tillstånd i ett material. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications.

Morgondagens magnetiska minnen, som hårddiskar, behöver få större kapacitet för att kunna lagra mer digital information och processa data snabbare. Därför bör magnetiska bits inte vara större än ett fåtal tiotals nanometer (miljarddels meter) och kunna switcha mellan ”nollor” och ”ettor” inom en pikosekund, det vill säga en biljondels sekund. Då skulle magnetiska element kunna drivas med en terahertz (THz) klockfrekvens – vilket är tusen gånger snabbare än dagens frekvens gigahertz (GHz). En sådan ökning av hastigheten skulle öppna vägen för mycket hög datahastighet som terabit per sekund (Tbit/s).

Problemet är att det är svårt att exakt kunna mäta så snabba förändringar i ett magnetiskt tillstånd. Men det är just det forskarna bakom den nya studien nu lyckats göra. Den känsliga metoden de utvecklat kan med precision bestämma ultrasnabba magnetiseringsförändringar i en nanometer tunt material.

Deras metod baseras på terahertzvågspektroskopi och kallas därför ultrasnabb terahertzmagnetometri. Men hjälp av den har forskarna nu kunnat visar att det går att mäta terahertzstrålningen som sänds ut när en magnetisk järnbit ändrar magnetisering.
Själva terahertzspektroskopi-mätningarna utfördes vid Bielefeld universitetet i Tyskland och avslöjade att den nya metoden har flera fördelar. Bland annat fungerar den även för inkapslade nanometertjocka magnetiska element. Metoden visade sig också vara ännu mer exakt än vad forskarna förväntat sig.

Med hjälp av en kort ljuspuls ändrade forskarna det magnetiska tillståndet. Det ledde till en liten, men blixtsnabb expansion av materialet vilket i sin tur orsakade en ljudvåg som gick rakt igenom materialet och reflekteras på andra sidan på samma sätt som ett hammarslag skapar en akustisk ljudvåg i materialet det träffar. En liten förändring i den utstrålade terahertz-strålningen kunde uppmätas.

Genom en teori som utvecklats av Pablo Maldonado och Peter Oppeneer vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, kunde teamet bevisa att den här terahertz-signalen hade sitt exakta ursprung i den akustiska våg som kopplar till atomernas magnetiska moment och flyttar om atomerna lite grann.

– Det var otroligt att den nya terahertzmagnometri-metoden kunde detektera även den lilla ljudvågen eftersom det handlar om en expansion av materialet som är så liten som ett tiotal femtometer (en tusendels biljondels meter), säger Peter Oppeneer, professor i fysik vid Uppsala universitet.

Avgörande för att kunna förklara de experimentella resultaten var de numeriska beräkningar som gjordes av Pablo Maldonado vid Uppsala universitet. Han är själv förvånad över hur exakt metoden visade sig vara.

– Det som jag tyckte är förbluffande är den nästan perfekta överensstämmelsen mellan våra teoretiska simuleringar och experimentella observationer. Det bekräftar att den nya terahertzmagnometri-metoden är väldigt känslig och exakt eftersom vi tydligt kunde urskilja magnetiska signaler som har olika ursprung: elektroniskt eller akustiskt, säger Pablo Maldonado.

För mer information kontakta:
Pablo Maldonado, forskare vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet
Tel: 073-729 38 79, E-post: pablo.maldonado@physics.uu.se

Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet
Tel: 070-960 40 16, E-post: peter.oppeneer@physics.uu.se

Referens: W. Zhang et al., Ultrafast terahertz magnetometry, Nature Communications (2020) DOI: 10.1038/s41467-020-17935-6