Поиск - новости науки и техники

О пикосекундах – свысока? Достижения физиков позволят в разы сократить время записи и считывания информации.

Существует довольно распространенное мнение о том, что достижениями в области точных наук могут похвастать где угодно, но только не в России. Стоит ли говорить, что многие наши ученые, в том числе и представительницы слабого пола, успешно развенчивают этот миф. Яркий пример – исследования старшего научного сотрудника Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН  Александры КАЛАШНИКОВОЙ. Результаты ее изысканий позволят создать уникальные способы обработки и хранения информации, в разы сократить время ее записи и считывания. Для наглядности: вместо нескольких часов, которые порой приходится тратить на скачивание фильма из Интернета, потребуется всего 5 минут. Успехи талантливого исследователя из Санкт-Петербурга не остались незамеченными. За выдающийся вклад в развитие современной физики сверхбыстрых магнитных явлений она удостоена премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2014 год.
Наш корреспондент выведал подробности трудного пути к славе.

– Большую роль в современной науке и технике играют магнитные материалы с упорядоченными магнитными моментами отдельных ионов, – начинает экскурс в тему Александра. – Они широко применяются как постоянные магниты, сердечники трансформаторов, реле, элементы генераторов и электромоторов. Сегодня, в век повсеместного распространения информационных технологий, магнитные материалы стали основой для накопителей на жестких дисках – самых распространенных устройств для записи и хранения информации.
Одна из актуальных задач современной фундаментальной и прикладной физики магнетизма – управление магнитным порядком (направлением и величиной намагниченности) в нано- и гетероструктурах на временных отрезках, которые существенно короче, чем 100 пикосекунд. Решение этой комплексной задачи может привести к качественному прорыву в области обработки, записи и хранения информации.
Что касается исследований, которыми я занимаюсь, то их цель – выяснить фундаментальные ограничения на изменение ориентации и величины намагниченности. Надо понять, какие воздействия позволят достичь наиболее быстрого и эффективного управления этими характеристиками.  
Изменить магнитное состояние материала можно, приложив импульс магнитного поля. Поведение намагниченности при таком воздействии хорошо изучено и описывается в рамках классической теории магнитных явлений. Однако магнитные импульсы, а значит, и отклик намагниченности на их воздействие имеют длительность, превышающую 100 пикосекунд. Очевидно, что для ответа на вопрос о фундаментальных пределах скорости управления намагниченностью необходимо исследовать, какова же динамика намагниченности при существенно более коротких временных отрезках. Возможность исследований такой сверхбыстрой динамики намагниченности появилась благодаря развитию фемтосекундной лазерной техники. Сегодня лабораторные лазерные установки позволяют получать импульсы длительностью от 100 фемтосекунд (0,1 пикосекунды) и менее. Кроме того, оказалось, что такие короткие лазерные импульсы – уникальное средство для сверхбыстрого управления намагниченностью.
– Как же лазерный импульс взаимодействует с магнитными материалами?
– В физике твердого тела, жидкостей и газов хорошо известны магнитооптические эффекты. Еще в середине XIX века Майкл Фарадей показал, что поляризация света поворачивается при его распространении через среду, помещенную во внешнее магнитное поле. И величина, и направление поворота поляризации пропорциональны намагниченности этой среды. Благодаря этим особенностям эффект Фарадея и другие магнитооптические эффекты уже давно широко используются для изучения магнитного состояния самых разных сред. Кроме того, магнитооптические эффекты лежат в основе устройств для управления излучением, например изоляторов Фарадея, позволяющих пропускать линейно-поляризованный свет только в одном направлении.
Спустя век после открытия Фарадея советский физик Лев Петрович Питаевский показал теоретически, а затем американский физик Питер Першан (Peter Pershan) совместно с коллегами подтвердил экспериментально, что циркулярно-поляризованный свет может индуцировать (то есть наводить) намагниченность в среде. Этот эффект стал известен как обратный эффект Фарадея.
А в 2005 году мои коллеги из Университета Радбауд (Наймеген, Нидерланды) и ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН впервые наблюдали сверхбыстрый обратный эффект Фарадея. Они обнаружили, что фемтосекундный лазерный импульс действует на среду как короткий и мощный импульс магнитного поля. В 2007-2008 годах мы показали, что сверхбыстрые оптомагнитные явления не ограничиваются случаем циркулярно-поляризованного света, а существуют и для линейно-поляризованных лазерных импульсов.
Важнейшая особенность сверхбыстрых оптомагнитных явлений состоит в том, что направление и величина лазерно-индуцированного магнитного поля зависят от поляризации лазерных импульсов. Благодаря такой связи эти эффекты могут стать основой для новых способов переключения намагниченности, при которых поляризация света определяет направление этого переключения. Именно такое переключение в магнитных диэлектриках мы продемонстрировали в 2012 году. На наш взгляд, наиболее перспективно применение сверхбыстрых оптомагнитных эффектов для управления намагниченностью именно диэлектриков – сред, активно внедряемых сегодня в спинтронику. Также хочется особо отметить, что сверхбыстрые оптомагнитные явления наблюдаются даже в прозрачных средах, и это отличает их от явления оптической ориентации, хорошо известного в физике и оптике полупроводников.
– Что позволяет достигнуть сверхбыстрой записи и считывания информации в магнитном материале?
– Привычные для нас устройства записи и хранения информации (накопители на жестких дисках) основаны на использовании магнитных металлов. Поэтому вполне естественно, что применение фемтосекундных лазерных импульсов для изменения и управления магнитным состоянием началось именно с металлов.
В 1996 году исследователи из Страсбурга показали, что фемтосекундный лазерный импульс может существенно уменьшить намагниченность металла за неожиданно короткое время – менее
1 пикосекунды, то есть происходит сверхбыстрое размагничивание. Оно основано, в отличие от оптомагнитных явлений, на поглощении и, как следствие, сверхбыстром нагреве металла. Надо отметить, что создание микроскопической теории, позволяющей описать данное явление, до сих пор остается нерешенной проблемой.
Начиная с 1996 года предметом активных споров стал вопрос о том, а может ли фемтосекундный лазерный импульс не только размагнитить металл, но и переключить намагниченность в нем. Положительный ответ на этот вопрос получили лишь в 2007 году. А в 2009-2013 годах нам с коллегами из Нидерландов, Великобритании, Германии, Испании, Украины, Швейцарии и Японии удалось выяснить, что такое сверхбыстрое переключение намагниченности лазерным импульсом принципиально отличается от любых других способов. Мы продемонстрировали экспериментально, что одиночный фемтосекундный лазерный импульс переключает намагниченность металла через ее разрушение. Характерное время подобного переключения – пикосекунды. Каждый последующий импульс всегда переключает намагниченность в противоположную сторону. Что интересно, для такого переключения не требуется внешнего магнитного поля. В этом фундаментальное отличие сверхбыстрого оптического переключения намагниченности от одной из новейших технологий магнитной записи – HAMR, недавно вышедшей на рынок.
Очевидно, что кроме сверхбыстрого переключения намагниченности требуется и быстрое считывание нового состояния. В наших экспериментах мы достигли рекордно короткого времени записи и считывания 1 бита информации одиночным лазерным импульсом – 30 пикосекунд. Это короче времени записи импульсами магнитного поля. Дальнейшее снижение времени записи и считывания требует, прежде всего, оптимизации магнитных структур, в которых производится запись.
Другая важнейшая задача – переключение намагниченности в нанометровой области. Часто, когда речь идет об оптических методах управления намагниченностью, становится понятно, что лазерный луч нельзя сфокусировать в область меньшую, чем дифракционный предел (сотни нанометров). В связи с этим сейчас большие надежды возлагаются на использование так называемых плазмонных наноантенн, которые позволяют концентрировать электрическое поле световой волны в нанометровой области, эффективно преодолевая, таким образом, дифракционный предел.
– Результат достигнут. Что дальше?
– Физика сверхбыстрых магнитных явлений – сложная область, требующая применения самых современных экспериментальных методик. Например, до недавнего времени основными в исследованиях сверхбыстрой динамики были магнитооптические методы. Сейчас же дальнейший прогресс в понимании сверхбыстрого оптомагнетизма требует расширения спектра применяемых методик. Важнейшую информацию об особенностях динамики намагниченности, индуцированной фемтосекундными лазерными импульсами, получают с помощью не только оптических, но и, например, коротких рентгеновских импульсов или импульсов терагерцового излучения. Кроме того, описание магнитной динамики на фемто- и пикосекундных промежутках времени требует развития новых теоретических подходов. Прогресс в изучении и практическом применении сверхбыстрых магнитных явлений невозможен и без создания новых магнитных гетероструктур с заданными свойствами. Очевидно, что подобные исследования требуют тесного сотрудничества между разными научными группами, в том числе и из разных стран.
– Ваши достижения ведь тоже результат коллективного труда.
– Если говорить о наших исследованиях, то многие из них являются итогом сотрудничества нашей группы в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, возглавляемой профессором Романом Васильевичем Писаревым, с одной из ведущих групп в области сверхбыстрого магнетизма – Spectroscopy of Solids and Interfaces в Университете Радбауд. Я думаю, не будет преувеличением сказать, что за последние 10 лет эта группа под руководством профессора Тео Расинга (Theo Rasing), доктора Алексея Кимеля (кстати, бывшего сотрудника ФТИ) и профессора Андрея Кирилюка внесла большой вклад в становление и развитие физики сверхбыстрых магнитных явлений. Мне посчастливилось работать в этой группе в течение пяти лет сначала над диссертацией на соискание степени PhD, затем – в качестве постдока.
Долгое время в нашем институте не было оборудования, необходимого для исследований сверхбыстрых магнитных явлений. Сотрудничество с коллегами из Нидерландов позволило нам активно работать в этой области. Начиная с 2013 года мы развиваем новое направление в ФТИ. Это стало возможным благодаря поддержке программы мегагрантов. Правительства РФ. Уже сейчас в нашей лаборатории работают несколько экспериментальных установок, позволяющих исследовать воздействие фемтосекундных лазерных импульсов на самые разные магнитные материалы и гетероструктуры на их основе.

Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации
предоставлены А.Калашниковой

Нет комментариев