利用激光能在合金中寫入和刪除磁體

德累斯頓 - 羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）的科學家們與來自柏林亥姆霍茲中心（HZB）和美國夏洛茨維爾弗吉尼亞大學的同行們一起找到了一種方法來使用激光束在合金中寫入和刪除磁性 – 這是一個令人驚訝的效果。該研究結果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上（"Laser-Rewriteable Ferromagnetism at Thin-Film Surfaces"）。 該過程的可逆性為材料加工、光學技術和數據存儲領域帶來了新的諸多可能性。

來自德國獨立研究實驗室HZDR的研究人員們研究了一種鐵和鋁的合金。 它作為原型材料很有趣，因為其原子排列的微妙變化可以完全改變其磁性行為。

強的激光脈衝會擾亂合金中原子的排列併產生磁性結構（左圖）。另一種較弱的激光脈衝允許原子返回到其原始晶格位置（右）。（圖片來源：SanderMünster/ HZDR）

HZDR物理學家Rantej Bali說：「這種合金帶有被鋁原子層分隔開鐵原子層，具有高度有序的結構。當激光束破壞這個結構的有序性時，鐵原子就會更緊密地聚集在一起，開始表現得像磁鐵一樣。」。

Bali和他的團隊在透明氧化鎂上準備了一層合金薄膜，激光束照射在薄膜上。當他們與HZB的研究人員合作時，在合金上定向了一個聚焦良好的激光束，激光束的脈衝為100飛秒（1飛秒為百萬分之一秒的十億分之一），進而形成了一個鐵磁區域。再次在同一區域照射激光脈衝 - 這次以較低的激光強度 - 然後較低強度的激光可以用於刪除磁體。

在強度降低激光脈衝下，約有一半的磁性強度被保留，並且在一系列激光脈衝下，磁化完全消失。這些觀察是在HZB運行的Bessy II同步加速器上使用顯微鏡來進行的，該顯微鏡使用軟X射線來研究磁性的前後強弱對比。

與美國夏洛茨維爾弗吉尼亞大學的一個團隊合作，科學家們能夠闡述在這個過程中合金中發生了什麼。美國同事的模擬表明，當超短激光脈衝將薄膜材料加熱到從表面到氧化鎂界面一直熔化的程度時，會形成鐵磁狀態。

當合金冷卻下來時，儘管溫度已經降到熔點以下，它仍會進入一種稱為「超冷液體」的狀態，在這種狀態下它仍然保持熔化狀態。造成這種狀態是由於缺乏成核位點 ——原子可以開始排列成晶格的微觀位置。當原子在超冷狀態中移動，尋找成核位置時，溫度會繼續下降。

最後，處於超冷狀態的原子必須形成一個固體晶格，就像在一場音樂椅子遊戲中，鐵原子和鋁原子最終被困在晶格內的隨機位置。這個過程只需要幾納秒，原子隨機排列產生一個磁鐵。

相同的激光，但強度降低，將原子重新排列成一個良好的有序結構。較弱的激光照射僅熔化薄膜層，從而在固體合金上形成熔池。在熔化後的一納秒內，一旦溫度降至熔點以下，薄膜的固體部分開始再生，並且原子從無序液體結構快速重新排列至晶格陣列。隨著晶格已經形成並且溫度仍然足夠高，原子具有足夠的能量擴散通過晶格並分離成鐵層和鋁層。

博士生Jonathan Ehrler總結道：「要寫磁區，我們必須從表面到界面融化材料，然而刪除它，我們只需要融化其中的一小部分。」

在進一步的實驗中，科學家們現在想要在其他有序合金中研究這一過程。他們還希望探索幾種激光束組合的影響。干擾效應可用於在大面積上生成圖案化的磁性材料。

Bali認為：「材料性質的巨大變化可能會帶來一些有趣的應用。」

激光在工業中用於許多不同的用途，例如用於材料加工。這一發現還可能為光學和數據存儲技術開闢更多途徑。

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