Zespół fizyków z Uniwersytetu w Białymstoku z kolejnym osiągnięciem opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”. W ciągu ostatnich lat badacze udoskonalili metodę zimnego i ultraszybkiego zapisu magnetycznego przy pomocy impulsów laserowych oraz odkryli nowy mechanizm zapisu zwrotnego, bijąc własne rekordy w szybkości i wydajności zapisu danych. Jak ocenia kierownik zespołu badawczego, prof. Andrzej Stupakiewicz, postęp prac jest niezwykle efektywny i obiecujący pod kątem rozwoju nowych metod do zapisu informacji.

Badacze z Wydziału Fizyki największej podlaskiej uczelni w ostatnich latach odkryli szereg nowych mechanizmów wyjaśniających oddziaływania promieniowania laserowego z materią w ultrakrótkiej skali femtosekund (femtosekunda równa jest jednej biliardowej części sekundy). Wyniki tych zainicjowanych w Białymstoku prac były już kilkukrotnie publikowane w wiodących czasopismach naukowych: „Nature” (2017), „Nature Physics” (2021) oraz „Nature Communications” (2019 i 2022).

W badaniach, opisanych w poprzednich publikacjach, naukowcy odkryli m.in., że trwały zapis fotomagnetyczny w dielektrycznych warstwach granatów jest możliwy przy wykorzystaniu spolaryzowanych liniowo femtosekundowych impulsów laserowych. Zmiana polaryzacji impulsu prowadzi do odwracalnego przełączenia kierunku magnetyzacji, zapisując lub kasując odpowiednio stany binarne ’0’ oraz ’1’.

– W kolejnych badaniach przeprowadzonych w ostatnich latach zweryfikowaliśmy nowe hipotezy i zaprezentowaliśmy niezwykle efektywny sposób, jak jeszcze bardziej wydajnie niż dotychczas można zapisać bity magnetyczne, a także skasować zapisaną informację nie zmieniając kierunku polaryzacji światła – tłumaczy prof. A. Stupakiewicz.

I właśnie tego dotyczy najnowsza publikacja na łamach „Nature Communications”. Autorzy w swoich badaniach wykorzystali nowe warstwy granatów domieszkowanych kobaltem, modyfikując w nich zarówno wartość anizotropii magnetycznej (parametr decydujący często o kierunkach magnesowania), jak i symetrię magnetokrystaliczną. Jak opisują, w warstwach tych kierunki magnetyzacji zostały zrównoważone energetycznie. To spowodowało, że kierunek liniowej polaryzacji impulsu światła wykorzystany do przełączania magnetyzacji znajduje się dokładnie pomiędzy dwoma kierunkami magnetyzacji odpowiadającym stanom binarnym ’0’ oraz ’1’.

Taka symetria, jak wyjaśniają obrazowo fizycy, pozwala uzyskać tzw. stan bistabilny, tak jak w zwykłym przełączniku elektrycznym. Pierwszy w kolejności impuls z lasera (tak jak pierwsze kliknięcie przełącznika zapalające żarówkę) przełącza kierunek magnetyzacji zapisując stan ‘1’. Natomiast kolejny identyczny impuls przełącza zwrotnie, do stanu pierwotnego ‘0’ (podobnie jak drugie kliknięcie przełącznika, gaszące żarówkę). Tym samym uzyskuje się cykliczne przełączanie kierunku magnetyzacji bez zmiany polaryzacji światła, w sposób powtarzalny i odwracalny.

Co więcej, z badań wynika, że podczas przełączania dyssypacja ciepła, czyli jego rozpraszanie oraz czas przełączania są kilkukrotnie mniejsze, niż przy prezentowanych dotychczas metodach zapisu magnetycznego. Ponadto proces zapisu-kasowania bitów może być powtarzalny nieskończenie długo. Jak twierdzą autorzy publikacji, nowy mechanizm zwrotnego przełączania powoduje, że zapis bitów jest możliwy do zrealizowania nawet z częstotliwością sięgającą 50 GHz i nie wymaga dodatkowego układu zmieniającego polaryzację światła.

Wiodącym autorem publikacji w „Nature Communications” jest jeden z pierwszych doktorantów oraz absolwentów Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UwB, dr Tomasz Zalewski. Dr Zalewski w marcu 2024 roku obronił z wyróżnieniem pracę doktorską pt. „Ultrafast coherent photo-magnetic switching in ferrimagnetic garnets”, napisaną pod kierunkiem prof. Andrzeja Stupakiewicza.

- Do przeprowadzenia badań zbudowałem unikalne stanowisko pomiarowe, umożliwiające wykonanie obrazowania stanów magnetyzacji w trakcie zapisu fotomagnetycznego. Rejestrując serię obrazów, z których każdy jest uzyskany przy wykorzystaniu tylko jednego impulsu laserowego trwającego 50 femtosekund, możliwe było uzyskanie wglądu w dynamikę ruchu magnetyzacji – tłumaczy dr Zalewski. I dodaje: - W wyniku badań zademonstrowaliśmy rekordowo szeroki zakres temperatur, od -100 do +100 stopni Celsjusza, w których zapis magnetyczny jest stabilny. Ponadto osiągnęliśmy rekordowe parametry zapisu, kilkukrotnie poprawiając jego wydajność w porównaniu z innymi obecnie znanymi mechanizmami umożliwiającymi rejestrowanie danych.

Dr Tomasz Zalewski jest absolwentem Politechniki Warszawskiej. W Katedrze Fizyki Magnetyków Wydziału Fizyki UwB został zatrudniony w wyniku konkursu, w ramach projektu TEAM finansowanego przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej (ze środków pochodzących z funduszy europejskich, z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój). Na największej podlaskiej uczelni pracował w latach 2019-2023, a po obronie pracy doktorskiej wyjechał na kilkuletni staż podoktorski do Radboud University w Holandii. Jak zauważa prof. Stupakiewicz, stanowi to dobry przykład synergii w rozwoju doktoranta: równoległej pracy w zespole naukowym oraz indywidualnego kształcenia w Szkole Doktorskiej.

Kierownik zespołu badawczego podkreśla, że zrealizowane w ostatnich miesiącach działania z powodzeniem pozwolą zamknąć projekt TEAM jeszcze przed zakończeniem t.zw. okresu jego trwałości. Poza obroną dwóch prac doktorskich i trzech prac magisterskich (wszystkie z wyróżnieniem), w ramach projektu zostało opublikowanych dwadzieścia publikacji, z których aż cztery ukazały się w czasopismach z grupy „Nature”.

- Sukces ten nie byłby możliwy bez kluczowej roli w zarządzaniu i rozliczeniu projektu przez panią Marię Truskolaską ze Wschodniego Ośrodka Transferu Technologii UwB – dodaje prof. Stupakiewicz.

Informuje też o kolejnych planach swojego zespołu:

- Od września 2024 roku włączamy się w kolejny, czteroletni projekt o tej tematyce, w ramach European Cooperation in Science & Technology (COST), który będzie koordynowany przez naszego wieloletniego partnera z Radboud University z Holandii. Projekt zatytułowany jest  „Magnetism and chirality: twisting spins, light, and lattices for faster-than-ever spintronics”, a jego celem jest kontynuacja integracji badawczej ogólnoeuropejskiej sieci jednostek naukowych oraz przemysłowych, w celu opracowania nowej technologii opto-magnetycznego zapisu i przetwarzania informacji.

Obecnie fizycy z Katedry Fizyki Magnetyków podlaskiej uczelni aktywnie uczestniczą w realizacji dwóch międzynarodowych projektów w konsorcjach europejskich w ramach programów: ITN Horizon 2020 („Cold opto-magnetism for random access devices”; zespołem kieruje prof. A. Stupakiewicz) oraz M-ERA.NET 3 („Materials for ultraefficient chiral spintronics”; zespołem kieruje prof. A. Maziewski).

Link do publikacji w „Nature Communications”: www.nature.com/articles