[论文解读] Speed limit of FePt spin dynamics on femtosecond timescales
本研究揭示，在强超短脉冲激光激发下，由于接近居里温度时电子温度较高，具有垂直各向异性的FePt中的超快退磁行为从I型（快速恢复）转变为II型（缓慢的第二次退磁）动力学。该转变由磁化强度的临界涨落驱动，导致热辅助磁记录的开关速度受到非确定性自旋动力学的根本限制。
Magnetization manipulation is becoming an indispensable tool for both basic and applied research. Theory predicts two types of ultrafast demagnetization dynamics classified as type I and type II. In type II materials, a second slower process takes place after the initial fast drop of magnetization. In this letter we investigate this behavior for FePt recording materials with perpendicular anisotropy. The magnetization dynamics have been simulated using a thermal micromagnetic model based on the Landau-Lifshitz-Bloch equation. We identify a transition to type II behavior and relate it to the electron temperatures reached by the laser heating. This slowing down is a fundamental limit to reconding speeds in heat assisted reversal.
研究动机与目标
- 理解在飞秒激光激发下，具有垂直磁各向异性的FePt中的超快磁化动力学。
- 确定FePt在不同激光能量密度下是否表现出I型或II型退磁行为。
- 识别FePt中I型与II型动力学之间转变的物理机制。
- 确立电子温度和临界涨落在热辅助磁记录中限制开关速度的作用。
提出的方法
- 采用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）测量连续FePt薄膜和颗粒状FePt记录介质中的超快磁化动力学。
- 将朗道-李夫希茨-布洛克（LLB）微观磁模型与双温（2T）模型耦合，模拟电子和晶格温度的演化。
- 通过两组参数进行模拟：一组用于高电子温度（最高达1000 K），另一组用于低电子温度（最高达100 K），以隔离电子温度的影响。
- 利用反射率、电子温度和退磁时间常数的实验数据对LLB-2T模型进行标定。
- 利用该模型分析退磁动力学对激光能量密度和电子温度的依赖性。
- 通过关联相关长度发散和弛豫时间变慢，将居里温度附近的临界涨落与II型行为的出现联系起来。
实验结果
研究问题
- RQ1在不同激光能量密度下，FePt是否表现出从I型到II型超快退磁动力学的转变？
- RQ2FePt中I型向II型行为转变的物理机制是什么？
- RQ3电子温度如何影响FePt中的退磁动力学和开关速度？
- RQ4居里温度附近的临界涨落对FePt中磁记录速度的限制程度如何？
- RQ5LLB-2T模型能否准确再现FePt中I型与II型动力学之间的观测转变？
主要发现
- 随着激光能量密度增加，实验观测到FePt中从I型到II型退磁行为的转变，高能量密度下第二阶段退磁占主导地位。
- 当电子温度达到接近居里温度（650 K）时，触发该转变，导致磁化强度出现临界涨落。
- 在高电子温度下，退磁时间τM从0.2 ps增加到0.3 ps，退磁程度ΔM/M(300K)从0.05上升至0.7，表明其具有强烈的能量密度依赖性。
- 只有当使用对应于高电子温度（最高达1000 K）的参数时，LLB-2T模型才能准确再现实验中的转变；低电子温度参数则无法实现。
- 该模型表明，向II型行为的转变并非由自旋流效应引起，因为通过隔离基底和帽层已最小化此类贡献。
- 本研究将居里温度附近的临界涨落确定为超快磁记录速度限制的根本原因，其机制是自旋激发的非确定性分裂数。
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