Dinamica di spin ultraveloce: modelli ed esperimenti

I due metodi attualmente possibili finalizzati all’aumento della densità, ovvero la registrazione magnetica assistita dal calore e la spintronica, si basano entrambi sulla manipolazione ultraveloce degli strumenti che veicolano informazioni. Un consorzio internazionale di partner che ha già condotto ricerche pionieristiche nel campo ha lanciato il progetto FEMTOSPIN (“Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics”) allo scopo di approfondire la conoscenza dei processi veloci.

Di recente, si è scoperto che i processi di manipolazione e di magnetizzazione ottica dello spin sono ben più rapidi rispetto a quelli tradizionali, basati su campi magnetici generati da correnti. Per sostenere lo sviluppo dei dispositivi correlati, è necessario utilizzare modelli basati su un’ampia gamma di intervalli temporali. Per accedere alla scala temporale dei fotoni, degli elettroni e delle interazioni dello spin, è necessario adottare la teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (DFT). D’altro canto, per mettere a confronto i risultati dei modelli con quelli sperimentali, non si può prescindere dall’adozione di modelli del continuum mesoscopico.

L’iniziativa FEMTOSPIN rende possibile il trasferimento di informazioni dal modello DFT al modello mesoscopico attraverso l’utilizzo di modelli di spin atomico. I lavori sperimentali consentono di perfezionare queste risorse e di fornire nuove prospettive sull’argomento.

Oggigiorno, i calcoli della struttura elettronica della teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo forniscono nuovi spunti sui meccanismi e sulle proprietà alla base delle dinamiche di magnetizzazione ultraveloci. Nello specifico, i modelli stanno facendo luce sul ruolo del trasporto di spin sul piano delle modifiche della magnetizzazione in seguito all’applicazione di un impulso laser. I calcoli della struttura elettronica sono quindi correlati da un punto di vista matematico ai modelli di spin atomico classici. Tutti questi elementi confluiscono in modelli di macrospin su ampia scala che formano un importante trait d’union con gli esperimenti.

I modelli hanno offerto preziose informazioni su numerosi fenomeni correlati. La scoperta, effettuata dai partner dell’iniziativa, del trasferimento della magnetizzazione indotto termicamente (trasferimento causato da un solo impulso di calore senza l’applicazione di un campo magnetico) prima dell’avvio del progetto ha suscitato l’attenzione di tutto il mondo. Il team è stato inoltre in grado di scoprire l’origine apparente dell’effetto. Inoltre, i modelli prevedono che il capovolgimento indotto dal calore abbia luogo nei ferromagneti sintetici formati da due strati ferromagnetici accoppiati in modo antiferromagnetico. Sono attualmente in corso prove sperimentali di questa previsione.

L’iniziativa FEMTOSPIN sta sviluppando modelli multiscala con un’importanza critica dei fenomeni di magnetizzazione convalidati attraverso ricerche sperimentali avanzate. Una migliore comprensione del comportamento dei materiali ordinati in base allo spin insieme allo sviluppo di strumenti di modellizzazione avanzati condurrà alla nascita di una nuova generazione di metodi di archiviazione e di elaborazione delle informazioni magnetici e ultraveloci.