Dynamika spinu

Dwie metody pozwalające zwiększyć gęstość — zapis magnetyczny wspomagany termicznie oraz spintronika — wymagają ultraszybkiej manipulacji nośnikami informacji. Światowej klasy konsorcjum zrzeszające podmioty prowadzące pionierskie badania w tej dziedzinie zainicjowało projekt "Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics" (FEMTOSPIN), aby dokładniej poznać te szybkie procesy.

Ostatnio wykazano, że optyczne procesy manipulowania spinem i magnetyzacji są dużo szybsze niż procesy konwencjonalne, oparte na polach magnetycznych generowanych przy pomocy prądu elektrycznego. Do opracowania odpowiednich urządzeń potrzebne są modele obejmujące szereg różnych skal czasowych. Aby można było ocenić skalę czasową oddziaływań fotonów, elektronów i spinu, trzeba zastosować zależną od czasu teorię funkcjonału gęstości (DFT). Z drugiej strony, do porównania wyników modelowania z wynikami doświadczeń potrzebne są mezoskopowe modele continuum.

W projekcie FEMTOSPIN informacje wynikające z DFT wykorzystywane są w modelu mezoskopowym przy pomocy atomowych modeli spinów. Prace doświadczalne umożliwiają dostrajanie modeli i uzyskanie bardziej szczegółowych danych.

Obliczenia struktury elektronowej DFT dostarczają informacji na temat mechanizmów i właściwości związanych z ultraszybką dynamiką magnetyzacji. Modele pozwalają w szczególności na zbadanie roli przeniesienia spinu w zmianach magnetyzacji następujących pod wpływem impulsu laserowego. Obliczenia struktury elektronowej są następnie łączone matematycznie z klasycznymi atomowymi modelami spinu. W dalszej kolejności są one wspólnie wprowadzane do wielkoskalowych modeli makroskopowych, które stanowią ważne ogniwo prowadzące do prac doświadczalnych.

Modele umożliwiły wyjaśnienie licznych powiązanych zjawisk. Jeszcze przed rozpoczęciem projektu partnerzy dokonali odkrycia termicznego przełączania magnetyzacji (przełączania tylko przy pomocy impulsu cieplnego, bez udziału pola magnetycznego), które zwróciło uwagę całego świata. Teraz zespół ustalił prawdopodobną przyczynę tego zjawiska. Modele przewidują, że tego rodzaju odwrócone zjawisko cieplne powinno zachodzić w syntetycznych ferromagnetykach składających się z dwóch warstw ferromagnetycznych połączonych antyferromagnetycznie. Trwają prace eksperymentalne mające na celu sprawdzenie tych przewidywań.

W projekcie FEMTOSPIN powstają bardzo ważne wieloskalowe modele zjawisk magnetyzacyjnych, które są poddawane walidacji przy pomocy zaawansowanych doświadczeń. Dokładniejsze poznanie zachowań materiałów o uporządkowanych spinach oraz opracowanie zaawansowanych narzędzi do modelowania umożliwi stworzenie nowej generacji ultraszybkich urządzeń do magnetycznego zapisywania i przetwarzania informacji.