Международный коллектив ученых определил, как оксиды металлов обмениваются электронами и меняют свое магнитное состояние под действием оптического излучения. Эту загадку ученые не могли разгадать десятки лет. В перспективе результат можно использовать для управления магнитными свойствами вещества при помощи света, что значительно ускорит передачу информации между процессором и оперативной памятью электронных устройств. Результаты расчетов опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Переключение намагниченности в магнитном поле является главным принципом современной технологии хранения данных. В компьютерах с магнитной памятью запись и считывание информации обеспечивается за счет электромагнитного взаимодействия с внешними устройствами и позволяет передавать данные со скоростью одного бита в наносекунду и быстрее.

Развитие беспроводных технологий и спрос на облачные системы хранения данных увеличивают потребность в быстрой записи информации. В принципе, ученым известны методы повышения быстродействия современных вычислительных устройств. К примеру, уже довольно давно показана возможность возбуждать светом магнитные колебания в оксидах железа. Однако физический механизм изменения обменного взаимодействия при возбуждении вещества светом оставался загадкой до последнего времени.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Санкт-Петербурга, Великобритании и Нидерландов разработали теорию обменного взаимодействия оптически возбужденных магнитных ионов и выяснили, что происходит с электронами при воздействии на кристаллы окислов железа лазерным излучением. Понимание этого процесса открывает дорогу целенаправленному управлению магнитными свойствами материалов при помощи света.

Исследователи рассмотрели электронный обмен в кристаллах ферробората, состоящих из железа, кислорода и бора. После длительных экспериментов было установлено, что обменное взаимодействие электронов изменяется в кристалле после облучения интенсивными сверхкороткими световыми импульсами, но как и почему это происходит - оставалось неизвестным. Ученые отметили, что именно лазерный импульс активирует переносы зарядов, тем самым модифицируя обменную связь между соседними ионами железа в кристаллической решетке. Особенность процесса в том, что ионы железа находятся в центре соседних с ними октаэдров из кислорода, поэтому перераспределение электронов происходит очень быстро. Без облучения светом обменное взаимодействие соседних ионов антиферромагнитно, то есть их магнитные моменты антипараллельны. Теория красноярских физиков показала, что если один ион железа возбуждается светом с определенной частотой, а соседний остается невозбужденным, то взаимодействие становится ферромагнитным.

Чтобы подтвердить свою теорию, исследователи решили провести эксперимент на другом кристалле — ортоферрите эрбия, который состоит из железа, кислорода и редкоземельного металла — эрбия. Результаты измерений оказались идентичны предыдущим. Так ученые установили механизм влияния света на процесс переноса электронов и изменение обменного взаимодействия в оксидах железа. Важно, что после поглощения частицы света одним из двух ионов металла и изменения намагниченности, их магнитные моменты становятся почти параллельными. До этого в магнетизме учитывалось только обменное взаимодействие ионов в невозбужденном состоянии. Сейчас ученые описали и экспериментально обнаружили, что под действием света происходит резонансное возбуждение перехода электронов с одного магнитного подуровня на другой, включая изменение момента импульса. Это открытие демонстрирует альтернативу используемой в настоящее время теории сверхбыстрых взаимодействий света с электронными магнитными моментами.

«Управление обменным взаимодействием с помощью субпикосекундных лазерных импульсов является очень привлекательным подходом для поиска нового сценария максимально быстрого управления магнетизмом. Этот эффект позволит ускорить работу компьютера за счет оптического управления процессами записи и считывания. Многим хочется, чтобы компьютеры работали быстрее. В XXI веке стала интенсивно развиваться фемтосекундная магнитооптика, которая продемонстрировала возможность управлять магнитными свойствами вещества за времена порядка одной фемтосекунды, что означает возможность ускорения записи и считывания информации по сравнению с нынешней техникой в миллион раз!», — поделился результатами исследования Сергей Овчинников, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией Института физики им. Л.В. Киренского.

Физики отметили, что исследования импульсной динамики с большой вероятностью могут привести к неожиданным открытиям. В том числе, понимание описанного ими механизма позволит в дальнейшем управлять магнитным порядком вещества с помощью света и найти за счет этого новые способы записи информации на временах намного быстрее, чем 1 наносекунда, и без применения внешних магнитных полей.

Исследование поддержано Российским научным фондом (грант No. 18-12-00022).