Magnetyzacja indukowana laserowo w femtosekundach
Zastosowanie symulacji numerycznych na poziomie atomowym dostarczyło cennych informacji na temat procesów ultraszybkiej magnetyzacji. Wyniki tych badań zapewniły podstawowy formalizm dla zrozumienia fizycznych mechanizmów wzbudzania materiałów ferromagnetycznych za pomocą impulsów laserowych w skali czasowej kilku femtosekund. Pojawiło się jednak również wiele ważnych pytań. W ramach finansowanego ze środków UE projektu FEMTOSPIN (Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics) czołowe światowe zespoły badawcze z Niemiec, Węgier, Hiszpanii, Szwecji i Zjednoczonego Królestwa opracowały nowe modele teoretyczne ultraszybkich procesów. Równolegle badacze z Niemiec, Holandii i Zjednoczonego Królestwa przeprowadzili innowacyjne doświadczenia, stanowiące szczegółowy test modelowych prognoz. Celem projektu było dokładniejsze poznanie procesów fizycznych leżących u podstaw rozwoju całkowicie optycznej technologii przechowywania danych przez dyski twarde. Ultraszybka manipulacja nośników informacji umożliwia potencjalnie uzyskanie nie tylko ekstremalnie dużych gęstości zapisu, ale również znacznie szybszych prędkości przesyłu danych. Tę część projektu nadzorował partner przemysłowy. Do opracowania takiej całkowicie optycznej technologii potrzebne są modele obejmujące szereg różnych skal czasowych. Aby można było ocenić skalę czasową oddziaływań fotonów, elektronów i spinu, trzeba było zastosować teorię funkcjonału gęstości (DFT) zależnego od czasu. Do porównania wyników modelowania z wynikami doświadczeń, wymagane były mezoskopowe modele continuum. Obliczenia struktury elektronowej DFT pozwoliły w szczególności na zbadanie roli przeniesienia spinu w zmianach magnetyzacji następujących pod wpływem ultrakrótkiego impulsu laserowego. Obliczenia struktury elektronowej są następnie łączone matematycznie z klasycznymi atomowymi modelami spinu. W dalszej kolejności są one wspólnie wprowadzane do wielkoskalowych modeli makroskopowych, które stanowią brakujące ogniwo prowadzące do prac doświadczalnych. To wielopoziomowe badanie umożliwiło wyjaśnienie licznych powiązanych zjawisk, w tym odkrycie pochodzenia termicznego przełączania magnetyzacji przez zespół projektu FEMTOSPIN. Ponadto w modelach przewidziano, że odwrócone zjawisko cieplne powinno zachodzić w syntetycznych ferromagnetykach składających się z dwóch warstw ferromagnetycznych połączonych antyferromagnetycznie. Przewidywania te potwierdzono eksperymentalnie. W ramach projektu FEMTOSPIN opracowano wieloskalową metodę modelowania zjawisk magnetyzacyjnych, którą zweryfikowano eksperymentalnie. Dokładniejsze poznanie zachowań materiałów o uporządkowanych spinach dzięki opracowaniu zaawansowanych narzędzi do modelowania umożliwi stworzenie nowej generacji ultraszybkich urządzeń do magnetycznego przechowywania informacji.
Słowa kluczowe
Ultraszybki magnetyzm, symulacje atomowe, struktura elektronowa, FEMTOSPIN, modelowanie wieloskalowe, gęstość zapisu, DFT
