Гибридные магнитно-плазмонные элементы обеспечивают бесконтактный селективный контроль температуры в магнитных метаматериалах

В недавнем исследовании, опубликованном в Nanoscale ученые, принадлежащие к группе наномагнетизма в nanoGUNE, демонстрируют использование гибридных магнитно-плазмонных элементов для облегчения бесконтактного и селективного контроля температуры в магнитных функциональных метаматериалах.

Схематическая иллюстрация гибридных золотомагнитных наноструктур, освещаемых лазером (красный). Из-за поляризационно-зависимого возбуждения плазмонного резонанса в золотой части ортогональные наноэлементы могут нагреваться независимо. Магнитный момент горячих магнитов (спереди) можно легче изменить, что приводит к более узкой управляемой полем петле магнитного гистерезиса (слева) по сравнению с магнитными холодными магнитами (справа). (Изображение предоставлено CIC Nanogune)

По сравнению с глобальными схемами нагрева, используемыми на сегодняшний день, которые представляют собой энергоемкое и медленное, управляемое светом отопление, которое использует оптические степени свободы, такие как поляризация, длина волны света и мощность, позволяет локальные, эффективные и быстрые методы нагрева для быть выполненным для использования в наномагнитных вычислениях или для измерения явлений коллективного развития в искусственных спиновых системах .

Основными метаматериалами для обработки информации с низким энергопотреблением, для устройств хранения магнитных данных и для изучения коллективных явлений в так называемых искусственных льдах являются однодоменные магниты наноразмера, взаимодействующие посредством бесконтактных магнитостатических взаимодействий. Эти магнитные метаматериалы производятся с помощью электронно-лучевой нанолитографии, где может быть разработано любое необходимое двумерное расположение тонкопленочных магнитных элементов с размерами в несколько сотен нанометров.

Функциональность таких магнитных метаматериалов определяется способностью инвертировать суммарный момент каждого наномагнита для уменьшения общих взаимных магнитостатических взаимодействий, которые происходят быстрее при высоких температурах. В последние годы различные схемы нагрева использовались для питания сетей взаимодействующих наномагнитов до состояния равновесия, начиная от термического отжига стабильных магнитов до изготовления быстро флуктуирующих ультратонких суперпарамагнитных элементов.

В настоящее время тепловое возбуждение искусственных спиновых систем достигается тепловым контактом с горячим резервуаром, либо нагревом всей подлежащей подложке, либо электрическим током в соседнем проводящем проводе. Все эти методы являются пространственно недискриминационными, энергетически неэффективными и по своей природе медленными, с масштабами времени от секунд до часов, что затрудняет достижение надлежащего состояния равновесия в протяженных нарушенных наномагнитных решетках. Кроме того, для выполнения в устройствах магнитных метаматериалов, таких как наномагнитные логические схемы и магнонные кристаллы, глобальный нагрев не имеет управления, пространственной дискриминации и скорости, необходимых для интегрированной работы с технологией CMOS.

В этом исследовании ученые применяют гибридный метод, который объединяет плазмонный нанонагреватель с магнитным элементом и устанавливает надежный и надежный контроль локальных температур в наномагнитных массивах с помощью бесконтактных оптических мод. В этом случае плазменный фотообогрев позволяет повысить температуру до нескольких сотен Кельвинов, что приводит к термически активированным изменениям момента и значительному уменьшению магнитного коэрцитивного поля.

Кроме того, зависящее от поляризации сечение поглощения удлиненных плазмонных элементов обеспечивает специфичный для подрешеток нагрев на субнаносекундных временных масштабах, что не может быть выполнено с использованием традиционных схем нагревания. Ученые экспериментально измеряют магнитные и оптические свойства ряда одиночных гибридных элементов, а также вершиноподобных сборок и демонстрируют подходы к тому, как добиться быстрого, эффективного и избирательного управления термически активированным магнитным реверсированием путем выбора мощности накачки, фокус, длительность импульса и поляризация света.

Таким образом, рост эффективного неинвазивного плазмонного оптического нагрева наномагнетиков позволяет гибко контролировать временные масштабы и продолжительность теплового возбуждения в магнитных метаматериалах. Это позволяет глубоко исследовать равновесные свойства и развивать возбуждения в искусственных спиновых системах, а также открывает путь для практического использования в таких приложениях, как маломощные наномагнитные вычисления.

Это исследование было поддержано Министерством экономики и конкуренции в рамках Программы единиц мастерства Марии де Маэзту – MDM-2016-0618 и проекта FIS2015-64519-R, а также Европейской комиссией в рамках проекта H2020- FETOPEN-01-2016-2017 «FEMTOTERABYTE» (проект № 737093).

Source link