Magnetizzazione indotta da laser in femtosecondi
L’utilizzo di simulazioni numeriche a livello atomistico ha fornito preziose informazioni sui processi di magnetizzazione ultraveloci. I risultati hanno fornito le nozioni di base per comprendere la fisica dell’eccitazione dei materiali ferromagnetici con impulsi laser su una scala temporale di pochi femtosecondi. Tuttavia, sono emerse molte domande importanti. Nell’ambito del progetto FEMTOSPIN (Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics), finanziato dall’UE, gruppi di ricerca leader a livello mondiale di Germania, Ungheria, Spagna, Svezia e Regno Unito hanno sviluppato nuovi modelli teorici per i processi ultraveloci. In parallelo, esperimenti innovativi di ricercatori in Germania, Paesi Bassi e il Regno Unito hanno fornito un test dettagliato delle previsioni del modello. Lo scopo era quello di ottenere una migliore comprensione dei processi fisici alla base dello sviluppo della tecnologia completamente ottica per la memorizzazione dei dati su hard disk. La manipolazione ultraveloce dei vettori di informazioni non solo presenta incredibili potenzialità in termini di densità di registrazione estremamente elevate, ma anche di velocità di trasferimento dati molto più alta. Questa parte del progetto è stata supervisionata dal partner industriale. Per sostenere lo sviluppo di tecnologie completamente ottiche, sono necessari modelli che coprono diversi periodi di tempo. Per conoscere la durata delle interazioni di fotoni, elettroni e spin, si è resa necessaria la teoria del funzionale della densità (DFT) dipendente dal tempo. Per confrontare i risultati dei modelli e i risultati sperimentali, è stato necessario utilizzare modelli continui mesoscopici. I calcoli della struttura elettronica DFT hanno evidenziato il ruolo del trasporto di spin nelle variazioni di magnetizzazione in seguito all’applicazione di un impulso laser ultrabreve. I calcoli della struttura elettronica sono quindi correlati da un punto di vista matematico ai modelli di spin atomico classici. Tutti questi elementi confluiscono in modelli di macrospin su ampia scala che formano il collegamento mancante con gli esperimenti. Questo approccio multiscala fa luce su numerosi fenomeni connessi, tra cui la scoperta dell’origine della commutazione della magnetizzazione indotta termicamente del team FEMTOSPIN. Inoltre, i modelli hanno previsto che l’inversione dovuta al calore avviene in ferrimagneti sintetici costituiti da due strati ferromagnetici accoppiati in modo antiferromagnetico. Gli esperimenti hanno confermato questa previsione. Il progetto FEMTOSPIN ha sviluppato un approccio multiscala alla modellazione dei fenomeni di magnetizzazione che è stato convalidato dalla ricerca sperimentale. Una migliore comprensione dei comportamenti dei materiali ordinati da spin offerta dallo sviluppo di strumenti di modellazione avanzati porterà a una nuova generazione di dispositivi di storage magnetici ultraveloci.
Parole chiave
Magnetismo ultraveloce, simulazioni atomistiche, struttura elettronica, FEMTOSPIN, modellazione multiscala, densità di registrazione, DFT
