Группа учёных под руководством профессора Шэна Жигао из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук в сотрудничестве с профессором А. В. Кимелем из Университета Радбауд продемонстрировала, что сильные магнитные поля могут эффективно регулировать лазерное сверхбыстрое размагничивание в двумерном (2D) ферромагнетике ван-дер-ваальсового типа.
Результаты исследования опубликованы в журнале National Science Review.
Подавление медленных процессов может ускорить обработку данных на основе спина до фемтосекундных скоростей, что потенциально революционизирует информационные технологии. Поэтому понимание и контроль сверхбыстрого размагничивания остаются ключевыми задачами спинтроники.
В отличие от других внешних полей, магнитные поля напрямую воздействуют на спиновый угловой момент, что делает их эффективными для управления спином. Однако большинство исследований использовали поля ниже 1 тесла, и регуляторная роль магнитных полей была в значительной степени упущена из виду.
В этом исследовании, используя установку стационарного высокого магнитного поля и спектроскопию времени разрешённого магнитооптического эффекта Керра, учёные изучили динамическое спиновое поведение в Fe₃GeTe₂, ферромагнетике ван-дер-ваальсового типа, известном своей слоистой структурой и спинтроническим потенциалом.
Их результаты показали, что магнитное поле в 7 тесла может ускорить процесс размагничивания на 60%, одновременно подавляя эффективность размагничивания на 34%. Этот двойной эффект был беспрецедентным, поскольку предыдущие исследования обычно фокусировались на характеристиках лазерных импульсов или внутренних свойствах материалов, а не на роли внешних магнитных полей.
Для интерпретации своих наблюдений учёные провели измерения зависимости от температуры и предложили механизм, основанный на изменении спиновой энтропии в рамках хорошо зарекомендовавшей себя трёхтемпературной модели.
Интересно, что регуляторные эффекты были более выраженными при повышенных температурах (~200 K), что подчёркивает потенциал для реальных приложений в высокоскоростном магнитном хранении и логических устройствах, работающих при комнатной температуре или около неё.
Новый шаг в лазерах с синхронизацией мод: настраиваемая длительность импульса в ультраузкой полосе пропускания
Лазеры широко применяются в качестве источника света в различных областях, включая производство, медицину, высокоскоростную связь, электронику и научные исследования.
В последние годы значительно возрос спрос на лазеры с улучшенным контролем над их характеристиками. В частности, лазеры с ультраузкой полосой пропускания и синхронизацией мод, которые могут генерировать чрезвычайно короткие лазерные импульсы (короткие вспышки света) длительностью от пикосекунд до наносекунд, привлекли значительное внимание. Такие короткие лазерные импульсы чрезвычайно полезны для многих приложений — от резки алмазов до производства полупроводников. Однако эти приложения могут быть улучшены за счёт использования лазеров с настраиваемой длительностью импульса.
Лазер работает путём отражения света между высокоотражающим и селективно отражающим зеркалом внутри резонатора, а затем усиливает его с помощью материала, называемого усиливающей средой. Обычные лазеры непрерывного действия излучают непрерывный пучок световых волн (мод) с разными длинами волн и случайными фазами.
Лазеры с синхронизацией мод, напротив, синхронизируют фазы различных мод и используют материал, называемый насыщающимся поглотителем (НП), для создания потока чрезвычайно коротких мощных световых импульсов. Зеркала в этих лазерах, также известные как фильтры, контролируют полосу пропускания — и, следовательно, количество мод лазерного излучения, что напрямую влияет на длительность импульса (длительность излучения лазера).
В настоящее время практическому применению лазеров с синхронизацией мод препятствуют узкополосные фильтры, которые обычно имеют фиксированную полосу пропускания для жёсткой ширины импульса, которую невозможно модулировать.
В недавнем исследовании, опубликованном в Advanced Photonics Nexus, учёные представили инновационный лазер с ультраузкой полосой пропускания и синхронизацией мод с настраиваемой длительностью импульса.
«Мы успешно разработали лазер с ультраузкой полосой пропускания и синхронизацией мод с широко настраиваемой длительностью импульса, используя новый механизм фильтрации и одностенные углеродные нанотрубки в качестве НП», — объясняет Вэйси Ли, один из ведущих авторов.
Учёные выбрали одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) в качестве НП из-за их сверхбыстрого времени восстановления (в фемтосекундном диапазоне), экономичного изготовления и способности генерировать стабильную длительность импульса в диапазоне от фемтосекунд до пикосекунд.
Для достижения настраиваемой длительности импульса учёные интегрировали механизм приложения механического напряжения к одной из решёток. Изменяя приложенное напряжение, они изменяли диапазон отражённых длин волн, что, в свою очередь, изменяло перекрытие между фильтрами. Это изменяло количество мод, тем самым контролируя длительность импульса. Благодаря этой стратегии они достигли широкого диапазона настройки от 481 пикосекунды до 1,38 наносекунды.
Этот почти 1 наносекундный диапазон настройки является самым большим из когда-либо зарегистрированных для узкополосного лазера с пассивной синхронизацией мод. Кроме того, если напряжение прикладывается к обоим фильтрам, диапазон настройки может быть ещё больше расширен, что приведёт к ещё более коротким длительностям импульсов.
Лазер также имеет структуру с длинной полостью, что помогает снизить потребление энергии и достичь частоты повторения менее одного мегагерца, что делает его пригодным для широкого спектра применений. Численное моделирование подтвердило экспериментальные результаты.
«Мы не только разработали простую, гибкую и настраиваемую схему для узкополосных лазеров с синхронизацией мод, но и создали идеальный источник света с надёжным выходом для таких важных областей, как резка монокристаллов алмазов и лазерная скрытая резка полупроводниковых пластин», — говорит главный исследователь, профессор Чэнбо Моу из Шанхайского университета.
Этот прорыв знаменует собой значительный шаг вперёд в лазерной технологии и открывает путь для новых и разнообразных приложений.