[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究通过单个飞秒激光脉冲实现了高各向异性FePt纳米颗粒的全光磁化反转，确定反法拉第效应为占主导地位的机制。作者建立了一个多尺度模型，表明仅通过反法拉第效应实现的角动量传递才能实现单脉冲确定性反转，而随机过程则需要多次脉冲；该模型优化了超快磁存储应用中的写入效率。

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.

研究动机与目标

• 理解使用超短激光脉冲在FePt纳米颗粒中实现全光磁化反转的机制。
• 确定单个飞秒激光脉冲是否能在高各向异性FePt纳米颗粒中诱导确定性反转。
• 开发一个结合原子尺度自旋动力学与宏观磁化方程的多尺度理论模型，以解释反转的随机特性并预测所需激光脉冲数量。
• 识别主导物理机制——特别是通过反法拉第效应实现的角动量传递是否能实现单脉冲反转。
• 通过理论优化，最小化可靠反转所需的激光脉冲数量，以优化超快磁存储器件的写入效率。

提出的方法

• 通过控制强度和偏振的飞秒激光脉冲，对FePt纳米颗粒阵列的磁化反转进行实验研究。
• 基于多尺度方法，结合原子尺度自旋动力学与宏观磁化方程，建立理论模型。
• 引入反法拉第效应，以模拟激光激发过程中光角动量向电子自旋的转移。
• 采用随机模型描述反转概率，以考虑纳米颗粒特性与激光能量密度的差异。
• 模拟初始激光激发阶段光子到自旋的能量转移，以确定反转阈值。
• 将模拟结果与实验数据进行比较，以验证模型并识别主导反转机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在飞秒激光激发下，何种物理机制使FePt纳米颗粒实现全光磁化反转？
• RQ2 单个飞秒激光脉冲是否能诱导高各向异性FePt纳米颗粒的确定性磁化反转？
• RQ3 为何实验中反转表现出随机特性，如何对这一现象进行建模？
• RQ4 通过反法拉第效应实现的角动量传递在反转过程中贡献程度如何？
• RQ5 如何通过理论优化最小化实现可靠反转所需的激光脉冲数量？

主要发现

• 仅由反法拉第效应诱导的角动量传递，才能实现单个飞秒激光脉冲下的确定性磁化反转。
• FePt纳米颗粒的反转本质上具有随机性，在典型实验条件下需要多次激光脉冲才能实现可靠写入。
• 所开发的多尺度模型能准确预测实现反转所需的激光脉冲数量，从而实现写入效率的优化。
• 在初始激光激发阶段，光子到自旋的能量转移是启动反转过程的关键因素。
• 反法拉第效应被确定为光学角动量转移的主导机制，可解释观测到的反转行为。
• 实验与理论结果共同证实，当施加合适的激光参数时，FePt纳米颗粒中高磁各向异性并不会阻碍全光反转。