All Optical Switching

Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass das magnetische Moment bestimmter ferrimagnetischer Legierungen durch ultraschnelle Pulse zirkular polarisierten Lichts in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds vollständig umgekehrt werden kann. Obwohl dieser Effekt zuerst in relativ komplexen ferrimagnetischen Legierungen beobachtet wurde, zeigt eine neuere Entdeckung, dass auch ferromagnetische Übergitter durch Licht umgeschaltet werden können. Diese äußerst interessante Entdeckung öffnet die Tür zu Anwendungen in neuartigen magnetischen Speichern und Spintronikanwendungen.

Abbildung: (a) Schematische Darstellung des rein optischen Schaltens (AOS) und des Domänenabbildungsaufbaus. (b) Dunkle (helle) Linien auf hellem (dunklem) Hintergrund und graue Bereiche zeigen Domänenbildung oder Entmagnetisierung aufgrund der Einwirkung von rechts (+), links (-) bzw. linear () polarisiertem Licht. Dunkle und weiße Bereiche entsprechen zwei entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen außerhalb der Ebene. (b) Die Gesamtfläche des magnetisch betroffenen Flecks sowie die Fläche des vollständig geschalteten Bereichs am Rand des Flecks, skaliert mit der Laserfluenz und der Anzahl der Impulse.
Abbildung: (a) Schematische Darstellung des rein optischen Schaltens (AOS) und des Domänenabbildungsaufbaus. (b) Dunkle (helle) Linien auf hellem (dunklem) Hintergrund und graue Bereiche zeigen Domänenbildung oder Entmagnetisierung aufgrund der Einwirkung von rechts (σ+), links (σ-) bzw. linear (π) polarisiertem Licht. Dunkle und weiße Bereiche entsprechen zwei entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen außerhalb der Ebene. (b) Die Gesamtfläche des magnetisch betroffenen Flecks sowie die Fläche des vollständig geschalteten Bereichs am Rand des Flecks, skaliert mit der Laserfluenz und der Anzahl der Impulse.

In unserem AOS-Projekt züchten wir ferromagnetische [Co/Pt]N-Übergitter auf Silizium- und Glassubstraten und untersuchen die Magnetisierungsumschaltung als Funktion der Materialzusammensetzung, Dicke, Anzahl der Schichten sowie der Laserstrahleigenschaften. Wir verwenden einen Femtosekunden-Laserverstärker und eine Viertelwellenplatte, um die Lichtpolarisation zu variieren. Anschließend analysieren wir die Auswirkungen des Laserlichts auf ein Übergitter mithilfe von Kerr- oder Faraday-Bildgebung oder magnetischer Kraftmikroskopie. Ein Beispiel des optisch geschalteten [Co/Pt]N-Übergitters ist in der obigen Abbildung dargestellt.

Kerr-Mikroskopie-Bilder zeigen, dass laserbeleuchtete Bereiche in der Mitte Domänenbildung und am Rand der beleuchteten Bereiche eine vollständige Umkehr der Magnetisierung durch AOS aufweisen. Beleuchtete Linien sind bei hoher Laserfluenz aufgrund des verbreiterten gaußschen Intensitätsprofils breiter. Wenn der Laserstrahl nicht gescannt wird, sondern an einem Punkt bleibt (der eine größere Anzahl von Laserschüssen erhält), zeigt der magnetisch betroffene Bereich auch eine Verbreiterung, die proportional zur Anzahl der Impulse ist. Letzteres wird der radialen Wärmeausbreitung um den beleuchteten Punkt herum zugeschrieben.

Publikationen

T. Ohkochi, R. Takahashi, H. Fujiwara, H. Takahashi, R. Adam, U. Parlak, K. Yamamoto, H. Osawa, M. Kotsugi, A. Tsukamoto, H. Wadati, A. Sekiyama, C. M. Schneider, M. Tsunoda, S. Suga, and T. Kinoshita, Investigation of deterministic and cumulative nature in helicity-dependent optical switching of ferrimagnetic Gd–Fe–Co films, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 593, 171854 (2024)
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.171854

U. Parlak, R. Adam, D. E. Bürgler, T. Duchoň, S. Nemšák, F. Wang, C. Greb, S. Heidtfeld, and C. M. Schneider, Ferromagnetic domain wall manipulation using optically induced thermal gradients, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 560, 169441 (2022)
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169441

U. Parlak, R. Adam, D. E. Bürgler, S. Gang, and C. M. Schneider, Optically induced magnetization reversal in [Co/Pt]N multilayers: Role of domain wall dynamics, Phys. Rev. B 98, 214443 (2018)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.214443

T. Ohkochi, H. Fujiwara, M. Kotsugi, H. Takahashi, R. Adam, A. Sekiyama, T. Nakamura, A. Tsukamoto, C. M. Schneider, H. Kuroda, E. F. Arguelles, M. Sakaue, H. Kasai, M. Tsunoda, S. Suga, and T. Kinoshita, Optical control of magnetization dynamics in Gd–Fe–Co films with different compositions, Applied Physics Express 10, 103002 (2017)
https://doi.org/10.7567/APEX.10.103002

Letzte Änderung: 11.02.2025