The spin-transfer inverse Faraday effect in Au/YIG thin film bilayers

La luce trasporta molto più della semplice energia; trasporta una torsione. Quando le onde luminose ruotano mentre viaggiano, una proprietà nota come polarizzazione circolare, esse possiedono un momento angolare, proprio come una trottola che gira. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che se si proietta questa luce rotante su determinati materiali, essa può dare una spinta ai minuscoli spin magnetici al loro interno, creando un campo magnetico senza la necessità di correnti elettriche. Questo fenomeno, chiamato effetto Faraday inverso, offre un modo per controllare il magnetismo con la luce, portando potenzialmente a computer più veloci e più freddi rispetto alle macchine odierne. Tuttavia, questo controllo è stato difficile da ottenere nei materiali isolanti magnetici, materiali che non conducono elettricità ma sono eccellenti nel trasportare informazioni magnetiche. Questi materiali sono cruciali per la tecnologia futura perché disperdono pochissima energia, ma sono anche ostinati; non assorbono facilmente la luce, rendendo difficile usare la luce per cambiare direttamente il loro stato magnetico.

Ricercatori dell'Ohio State University e della Florida International University hanno trovato un ingegnoso aggiramento di questo problema costruendo un "sandwich" di due materiali diversi. Hanno posizionato un sottile strato di oro, un metallo che interagisce fortemente con la luce, direttamente sopra un sottile strato di granato di ittrio e ferro, un isolante magnetico. Proiettando un impulso di luce infrarossa sull'oro, sono stati in grado di trasferire l'energia rotatoria della luce all'oro, che poi ha passato quell'energia attraverso il confine verso l'isolante magnetico. Questo processo, che chiamano effetto Faraday inverso per trasferimento di spin, ha permesso loro di manipolare il magnetismo dell'isolante usando la luce, anche se l'energia della luce era troppo bassa per essere assorbita dall'isolante stesso. Il team ha dimostrato che questo metodo funziona su scala nanometrica, cambiando lo stato magnetico dell'isolante in soli pochi trilionesimi di secondo, e lo ha fatto senza riscaldare significativamente il materiale, il che è un problema comune in altri metodi.

Per capire come ciò funzioni, bisogna prima guardare i materiali stessi. I ricercatori hanno fatto crescere film estremamente sottili di granato di ittrio e ferro, spessi solo dieci e quindici nanometri, su una base cristallina. Hanno poi depositato uno strato di cinque nanometri di oro sopra di essi. Per testare la loro configurazione, hanno utilizzato un sistema laser specializzato che spara due fasci di luce: un fascio "pump" forte per eccitare il materiale e un fascio "probe" più debole per misurare ciò che accade. Potevano cambiare la polarizzazione del fascio pump, facendolo ruotare verso sinistra o verso destra, o mantenerlo dritto. Quando hanno sparato un fascio di luce dritto, non rotante, contro lo strato d'oro, il materiale si è riscaldato leggermente. Questo calore ha causato un flusso di informazioni magnetiche dall'isolante al metallo, un effetto noto come effetto Seebeck longitudinale. Questo ha servito come linea di base, mostrando come i due materiali comunicano quando è coinvolto solo il calore.

La vera scoperta è avvenuta quando hanno cambiato la luce rotante. Quando hanno proiettato una luce che ruotava verso destra, lo strato d'oro ha generato una specifica spinta magnetica. Quando hanno cambiato la luce affinché ruotasse verso sinistra, la spinta è andata nella direzione opposta. Confrontando i risultati di questi due spin opposti, il team è riuscito a isolare l'effetto causato puramente dalla torsione della luce, rimuovendo il rumore di fondo causato dal semplice riscaldamento. Hanno scoperto che questa luce rotante creava un segnale magnetico nell'oro significativamente più forte di quello che vedevano nell'oro da solo. Ancora più importante, questo segnale non restava solo nell'oro; attraversava il confine e cambiava il magnetismo del granato di ittrio e ferro sottostante.

I ricercatori sono stati attenti a dimostrare che questo cambiamento non era solo un effetto collaterale del riscaldamento del campione dovuto alla luce. Hanno misurato come il segnale cambiava all'aumentare della potenza del laser. Se l'effetto fosse stato puramente termico, il segnale sarebbe cresciuto in un modo specifico e prevedibile legato a come si propaga il calore. Inve al contrario, hanno scoperto che il segnale cresceva secondo un modello che corrispondeva al comportamento delle onde magnetiche, note come magnoni, all'interno dell'isolante. Ciò ha confermato che la luce stava eccitando direttamente l'ordine magnetico dell'isolante attraverso l'oro, piuttosto che limitarsi a scaldarlo. Hanno anche osservato che lo stato magnetico dell'isolante si invertiva o si spostava a seconda della direzione dello spin della luce, un segno chiaro che il momento angolare dei fotoni veniva trasferito agli spin magnetici del materiale.

L'esperimento è significativo perché mostra un nuovo modo per controllare gli isolanti magnetici, che sono i blocchi costruttivi per i futi dispositivi di memoria e logica a basso consumo. Precedentemente, controllare questi materiali richiedeva laser ad alta potenza o strati di materiale spessi, il che li rendeva impraticabili per componenti elettronici piccoli e veloci. Il team ha dimostrato di poter ottenere questo controllo con un livello di potenza molto più basso, utilizzando un impulso di luce con una densità di energia di soli 6,8 joule per metro quadrato, che è molto meno di quanto fosse necessario negli studi precedenti. Ci sono riusciti usando lo strato d'oro come mediatore, un trasduttore che cattura l'energia della luce e la consegna all'isolante. L'intero processo avviene incredibilmente velocemente, con i cambiamenti magnetici che avvengono entro pochi picosecondi, o trilionesimi di secondo, e il sistema che ritorna al suo stato originale poco dopo.

Lo studio ha anche rivelato dettagli su come i due materiali interagiscono a livello atomico. Misurando la risposta magnetica in diversi momenti temporali, il team ha potuto vedere la sequenza degli eventi: la luce colpisce l'oro, gli elettroni dell'oro reagiscono quasi istantaneamente, e poi l'influenza magnetica viaggia nell'isolante. Hanno scoperto che la forza di questa interazione dipende dalla qualità del confine tra l'oro e l'isolante. Se l'interfaccia è pulita e ordinata, il trasferimento di spin è efficiente. Ciò suggerisce che, progettando attentamente questi strati, gli scienziati potrebbero progettare dispositivi che utilizzano la luce per scrivere ed eliminare informazioni magnetiche con alta velocità e un consumo energetico minimo.

Sebbene i ricercatori non abbiano visto le onde magnetiche oscillare avanti e indietro in un pattern ritmico, come osservato in alcuni altri esperimenti con materiali più spessi, hanno comunque osservato un cambiamento chiaro e duraturo nello stato magnetico. Ciò indica che l'effetto Faraday inverso per trasferimento di spin è un meccanismo robusto per manipolare il magnetismo nei film sottili. Il lavoro apre la strada all'uso della luce infrarossa per controllare gli isolanti magnetici, una capacità che potrebbe essere vitale per la prossima generazione di dispositivi spintronici. Questi dispositivi farebbero affidamento sullo spin degli elettroni piuttosto che sulla loro carica, portando potenzialmente a computer più veloci, più efficienti e capaci di elaborare informazioni in modi in cui la tecnologia attuale non può fare. Le scoperte suggeriscono che la chiave per sbloccare queste capacità risiede nel comprendere e nel padroneggiare l'interfaccia tra metalli e isolanti magnetici, trasformando un semplice strato d'oro in un potente strumento per controllare il mondo invisibile del magnetismo.