[論文レビュー] Magnetization switching of FePt nanoparticle recording medium by femtosecond laser pulses

Rita John, Marco Berritta+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2016

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1フェムト秒レーザーパルスを用いて、高異方性FePtナノ粒子におけるすべて光的磁化スイッチングを実証し、逆ファラデーエフェクトが主なメカニズムであることを特定した。著者らは、1パルスによる決定的スイッチングを可能にするのは、逆ファラデーエフェクトによる角運動量転送に限られることを示すマルチスケールモデルを構築した。一方、確率的プロセスでは複数ショットを要する。この結果、超高速磁気記録応用におけるライティング効率が最適化される。

ABSTRACT

Manipulation of magnetization with ultrashort laser pulses is promising for information storage device applications. The dynamic of the magnetization response depends on the energy transfer from the photons to the spins during the initial laser excitation. A material of special interest for magnetic storage is FePt nanoparticles , on which optical writing with optical angular momentum was demonstrated recently by Lambert et al., although the mechanism remained unclear. Here we investigate experimentally and theoretically the all-optical switching of FePt nanoparticles. We show that the magnetization switching is a stochastic process. We develop a complete multiscale model which allows us to optimize the number of laser shots needed to write the magnetization of high anisotropy FePt nanoparticles in our experiments. We conclude that only angular momentum induced optically by the inverse Faraday effect will provide switching with one single femtosecond laser pulse.

研究の動機と目的

• フェムト秒レーザーパルスを用いたFePtナノ粒子におけるすべて光的磁化スイッチングのメカニズムを理解すること。
• 高異方性FePtナノ粒子において、1フェムト秒レーザーパルスが決定的スイッチングを誘発できるかどうかを特定すること。
• スイッチングの確率的性質を説明し、必要なレーザーパルス数を予測するマルチスケール理論モデルの構築。
• 主な物理的メカニズムを特定すること、特に逆ファラデーエフェクトによる角運動量転送が1パルススイッチングを可能にするかどうか。
• 超高速磁気データ記録デバイスへの応用を想定し、ライティング効率を最適化すること。

提案手法

• 制御された強度および偏光を有するフェムト秒レーザーパルスを用いた、FePtナノ粒子アレイにおける磁化スイッチングの実験的調査。
• 原子スケールスピンダイナミクスとマクロスケール磁化方程式を組み合わせたマルチスケール手法に基づく理論的モデリング。
• レーザー励起中の電子スピンへの光学的角運動量転送をモデル化するため、逆ファラデーエフェクトの組み込み。
• ナノ粒子の性質やレーザー Fluence のばらつきを考慮したスイッチング確率の確率的モデリング。
• 初期レーザー励起段階における光子からスピンへのエネルギー転送のシミュレーションにより、スイッチング閾値の特定。
• シミュレーション結果と実験データの比較により、モデルの妥当性を検証し、主なスイッチングメカニズムを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー励起下におけるFePtナノ粒子におけるすべて光的磁化スイッチングを可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ2 1フェムト秒レーザーパルスが高異方性FePtナノ粒子において決定的磁化スイッチングを誘発できるか？
• RQ3 なぜ実験ではスイッチングが確率的特性を示すのか、そしてその特性をどのようにモデリングできるか？
• RQ4 逆ファラデーエフェクトによる角運動量転送がスイッチングにどの程度寄与するか？
• RQ5 理論的最適化により、信頼性のあるスイッチングに必要なレーザーパルス数をどの程度まで低減できるか？

主な発見

• 1フェムト秒レーザーパルスによる決定的磁化スイッチングを可能にするのは、逆ファラデーエフェクトが引き起こす角運動量転送に限られる。
• FePtナノ粒子におけるスイッチングは本質的に確率的であり、通常の実験条件下では信頼性のあるライティングのために複数のレーザーパルスを要する。
• 開発されたマルチスケールモデルは、スイッチングを達成するために必要なレーザーパルス数を正確に予測でき、ライティング効率の最適化が可能である。
• 初期レーザー励起段階における光子からスピンへのエネルギー転送は、スイッチングプロセスの開始に不可欠である。
• 逆ファラデーエフェクトは、光学的角運動量転送の主なメカニズムとして特定され、観察されたスイッチング行動を説明できる。
• 実験的および理論的結果は、FePtナノ粒子に高い磁気異方性がある場合でも、適切なレーザーパrametersを適用すればすべて光的スイッチングが可能であることを確認した。