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利用激光能在合金中写入和删除磁体
[发布日期:2018-05-10  点击次数:1251]

德累斯顿 - 罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)的科学家们与来自柏林亥姆霍兹中心(HZB)和美国夏洛茨维尔弗吉尼亚大学的同行们一起找到了一种方法来使用激光束在合金中写入和删除磁性 – 这是一个令人惊讶的效果。该研究结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上( "Laser-Rewriteable Ferromagnetism at Thin-Film Surfaces")。 该过程的可逆性为材料加工、光学技术和数据存储领域带来了新的诸多可能性。

来自德国独立研究实验室HZDR的研究人员们研究了一种铁和铝的合金。 它作为原型材料很有趣,因为其原子排列的微妙变化可以完全改变其磁性行为。

强的激光脉冲会扰乱合金中原子的排列并产生磁性结构(左图)。另一种较弱的激光脉冲允许原子返回到其原始晶格位置(右)。(图片来源:SanderMünster/ HZDR)

HZDR物理学家Rantej Bali说:“这种合金带有被铝原子层分隔开铁原子层,具有高度有序的结构。当激光束破坏这个结构的有序性时,铁原子就会更紧密地聚集在一起,开始表现得像磁铁一样。”。

Bali和他的团队在透明氧化镁上准备了一层合金薄膜,激光束照射在薄膜上。当他们与HZB的研究人员合作时,在合金上定向了一个聚焦良好的激光束,激光束的脉冲为100飞秒(1飞秒为百万分之一秒的十亿分之一),进而形成了一个铁磁区域。再次在同一区域照射激光脉冲 - 这次以较低的激光强度 - 然后较低强度的激光可以用于删除磁体。

在强度降低激光脉冲下,约有一半的磁性强度被保留,并且在一系列激光脉冲下,磁化完全消失。这些观察是在HZB运行的Bessy II同步加速器上使用显微镜来进行的,该显微镜使用软X射线来研究磁性的前后强弱对比。

与美国夏洛茨维尔弗吉尼亚大学的一个团队合作,科学家们能够阐述在这个过程中合金中发生了什么。美国同事的模拟表明,当超短激光脉冲将薄膜材料加热到从表面到氧化镁界面一直熔化的程度时,会形成铁磁状态。

当合金冷却下来时,尽管温度已经降到熔点以下,它仍会进入一种称为“超冷液体”的状态,在这种状态下它仍然保持熔化状态。造成这种状态是由于缺乏成核位点 ——原子可以开始排列成晶格的微观位置。当原子在超冷状态中移动,寻找成核位置时,温度会继续下降。

最后,处于超冷状态的原子必须形成一个固体晶格,就像在一场音乐椅子游戏中,铁原子和铝原子最终被困在晶格内的随机位置。这个过程只需要几纳秒,原子随机排列产生一个磁铁。

相同的激光,但强度降低,将原子重新排列成一个良好的有序结构。较弱的激光照射仅熔化薄膜层,从而在固体合金上形成熔池。在熔化后的一纳秒内,一旦温度降至熔点以下,薄膜的固体部分开始再生,并且原子从无序液体结构快速重新排列至晶格阵列。随着晶格已经形成并且温度仍然足够高,原子具有足够的能量扩散通过晶格并分离成铁层和铝层。

博士生Jonathan Ehrler总结道:“要写磁区,我们必须从表面到界面融化材料,然而删除它,我们只需要融化其中的一小部分。”

在进一步的实验中,科学家们现在想要在其他有序合金中研究这一过程。他们还希望探索几种激光束组合的影响。干扰效应可用于在大面积上生成图案化的磁性材料。

Bali认为:“材料性质的巨大变化可能会带来一些有趣的应用。”

激光在工业中用于许多不同的用途,例如用于材料加工。这一发现还可能为光学和数据存储技术开辟更多途径。

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