Ultraschnelles plasmonenverstärktes Schalten der Magnetisierung auf der Nanoskala

Am MBI wurde eine Methode zur Kontrolle und Manipulation von magnetischen Bits demonstriert

Abb. 1 (oben): Schematische Darstellung der hochauflösenden Bildgebung mittels MFM: Ein ultrakurzer intensiver Laserpuls wird durch eine Hohlkernfaser geleitet und auf die plasmonischen Strukturen gerichtet, die auf einer magnetischen Probe aufgebracht sind und deren magnetischer Zustand sich dadurch ändert. Abb. 2 (unten): Rein optisches Schalten der Magnetisierung für eine resonante und nicht resonante Anregung. © MBI

Forscher:innen des Max-Born-Instituts haben eine erfolgreiche Methode zur Kontrolle und Manipulation von magnetischen Bits im Nanobereich – den Bausteinen digitaler Daten – mit Hilfe eines ultraschnellen Laserpulses und plasmonischer Gold-Nanostrukturen demonstriert. Die Ergebnisse wurden in Nano Letters veröffentlicht.

Einer der interessantesten und vielversprechendsten Mechanismen für dieses Vorhaben ist die rein optische, helizitätsunabhängige Magnetisierungsumschaltung (AO-HIS), bei der der Magnetisierungszustand mit einem einzigen Femtosekunden-Laserpuls zwischen zwei Richtungen umgeschaltet werden kann, die als „0en“ und „1en“ dienen, ohne dass ein externes Magnetfeld oder eine komplexe Verdrahtung erforderlich ist. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für die Entwicklung von Speichergeräten, die nicht nur schneller und robuster sind, sondern auch wesentlich weniger Strom verbrauchen. Der Schlüssel zum Erreichen wettbewerbsfähiger Bitgrößen in der Datenspeichertechnologie der nächsten Generation erfordert jedoch die lichtgesteuerte Kontrolle der Magnetisierung auf der Nanometer-Längenskala. Allerdings ist derzeit noch nicht klar, inwieweit grundlegende physikalische Prozesse wie die Wärmeübertragung im Nanometerbereich und die Ausbreitung magnetischer Domänenwände die minimal erreichbare Bitgröße begrenzen.

Um diese offenen Fragen zu untersuchen, verwendeten die Forscher plasmonische Goldnanostrukturen, die Licht auf Bereiche beschränken können, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Diese Strukturen wurden im Max-Born-Institut durch Elektronenstrahllithografie direkt auf einer zehn Nanometer dünnen Schicht eines magnetischen Materials aus einer Legierung aus Seltenen Erden und Übergangsmetallen (GdTbCo) hergestellt. Aufgrund der Anwesenheit des Seltenerdmetalls Terbium können in diesem Material kleine, stabile magnetische Domänen gebildet werden.

Mit einem ultrakurzen Laserpuls von 370 fs und einer Wellenlänge von 1030 nm konnten Bereiche mit einer Breite von nur 240 nm erfolgreich umgeschaltet werden (Abb. 1). Die Nanostrukturen verringerten aufgrund ihrer plasmonischen Eigenschaften mit einer verstärkten Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes an den Kanten der Goldstrukturen auch die erforderlichen Pulsenergien.

Durch die Beleuchtung mit einzelnen Laserpulsen lässt sich die Magnetisierung am Rand der Nanostruktur lokal umschalten (Abb. 1(a)). Darüber hinaus kann ein Bereich, in dem die Magnetisierung durch den Laserpuls geschaltet wurde, mit einem weiteren einzelnen Laserpuls (Abb. 1(b)) an genau definierten Stellen auf dem magnetischen Material wieder rückgängig gemacht werden. Damit ist es möglich, ein kontrolliertes Umschalten der Magnetisierung zu realisieren, wie es für die Codierung der Informationszustände „0“ und „1“ erforderlich ist. Der endgültige magnetische Zustand wurde mit Hilfe der Magnetkraftmikroskopie (MFM) sichtbar gemacht, einer Abtasttechnik, die den magnetischen Zustand einer Probe mit räumlicher Auflösung im Nanometerbereich abbilden kann.

Neben der Demonstration des Umschaltens beobachteten die Forscher unter bestimmten Laserpulsbedingungen interessante Magnetisierungsmuster, wie in Abb. 2 dargestellt. Bei der Anregung unter Bedingungen, bei denen die Nanostrukturen keine Anregung einer plasmonischen Resonanz durch den Laser zulassen, wird ein dipolartiges Fernfeldstreuungsmuster in den Magnetfilm „eingeprägt“. Durch resonante und nicht-resonante plasmonische Anregung konnte die Dominanz verschiedener plasmonischer Energietransfermechanismen untersucht werden. „Während es sich hierbei um Grundlagenforschung zu den grundlegenden Prozessen des lokalisierten optischen Schaltens der Magnetisierung handelt, kann diese Arbeit künftige Entwicklungen zu optimierten Anregungsschemata in künstlichen magnetischen Materialien anstoßen, die letztlich eine Kontrolle des Magnetismus im Nanobereich mit Hilfe von Licht ermöglichen“, sagt Puloma Singh, eine MBI-Forscherin, die dieses Projekt zusammen mit ihren MBI-Kolleg:innen im Rahmen ihrer Doktorarbeit vorantreibt.

Publikation:

Subwavelength Localized All-Optical Helicity-Independent Magnetic Switching Using Plasmonic Gold Nanostructures
T.P.H. Sidiropoulos, P. Singh, T. Noll, M. Schneider, D. Engel, D. Sommer, F. Steinbach, I. Will, B. Pfau, C. von Korff Schmising, Stefan Eisebitt
Nano Letters 2025, 25, 12, 4645-4651 (Letter)
URL, DOI oder PDF

Kontakt:

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
https://mbi-berlin.de/

Pressemitteilung MBI vom 22.04.2025