La investigación en el campo del magnetismo ultrarrápido ha dado un paso significativo hacia adelante, al desvelar cómo los destellos de luz pueden manipular la magnetización de un material en billonésimas de segundo. Este proceso, conocido como conmutación óptica total (AOS, por sus siglas en inglés), permite que un único pulso láser de unos pocos femtosegundos (≈10-15 segundos) invierta pequeñas regiones magnéticas sin la necesidad de un campo magnético externo, lo que abre la puerta a nuevas tecnologías en dispositivos de espintrónica.
La AOS se presenta como una alternativa prometedora a los cabezales de lectura/escritura basados en magnetismo convencionales, utilizados en discos duros. Estos dispositivos, que operan a velocidades mucho más lentas, podrían ser reemplazados por sistemas que aprovechen la rapidez de la AOS para manipular los giros magnéticos, que actúan como transportadores de información. Sin embargo, hasta ahora se pensaba que el proceso de conmutación se producía de manera uniforme en el material magnético, siempre que el pulso láser depositara suficiente energía.
Descubrimiento revolucionario en la conmutación óptica total
Un reciente estudio publicado en Nature Communications por investigadores del Max Born Institute, en colaboración con equipos de Berlín y Nancy, ha desafiado esta noción. Los científicos han descubierto que, en lugar de una conmutación uniforme, se produce una propagación ultrarrápida de un límite de magnetización en la profundidad del material.
Utilizando una combinación de excitación infrarroja ultracorta y espectroscopía de rayos X de femtosegundos, los investigadores estudiaron una fina película de gadolinio-cobalto (GdCo) de 9.4 nm de espesor, que forma parte de una estructura típica compuesta por capas de platino y cobre en la parte superior y una capa de tantalio en la parte inferior. Mediante el uso de rayos X amplios sintonizados a una resonancia atómica del átomo de gadolinio, pudieron seguir los cambios en la magnetización a lo largo de la profundidad de la muestra en el tiempo, creando así una «película» de la evolución de la magnetización con resolución temporal en femtosegundos.
Los resultados revelaron un fenómeno que había permanecido oculto hasta ahora. Inmediatamente después de la llegada del pulso infrarrojo de 27 fs, la capa de GdCo se calienta y su magnetización disminuye de manera casi uniforme, alineándose con la comprensión convencional del proceso. Sin embargo, tras dos picosegundos, emergen dos dominios de magnetización opuesta: la región superior, que recibe un estímulo adicional del calentamiento más intenso de la capa de platino, se invierte primero, mientras que la magnetización en la parte inferior permanece inalterada. Un límite entre estos dos dominios se forma y se propaga hacia abajo a unos 2,000 m/s, abarcando toda la capa de GdCo en aproximadamente 4.5 ps.
Este descubrimiento implica un cambio en la concepción de la AOS, que debe ser entendida como una combinación de procesos locales y no locales. La interacción entre los giros magnéticos de las regiones conmutadas y no conmutadas, junto con los gradientes térmicos a través de la heteroestructura, determina tanto la velocidad de conmutación como el estado magnético final.
Las implicaciones futuras de estos hallazgos son significativas, ya que abren nuevas rutas para la ingeniería de dispositivos magnéticos activados por luz. Al seleccionar diferentes capas circundantes y alterar el grosor y la composición de las películas, se puede controlar el lugar donde se nuclea el límite y la velocidad a la que se desplaza. Esta libertad de diseño podría habilitar elementos de memoria y lógica rápidos y energéticamente eficientes que aprovechen la inversión de magnetización impulsada por luz.
