新発見！レーザービームで合金に磁性を書き込んだり消したりできる

・研究者らが、鉄とアルミニウムの合金に磁性を作ったり消したりする面白い方法を発見した。
・100フェムト秒のレーザーパルスを使って、強磁性秩序を可逆的に切り替えたのだ。
・これは、光学技術から材料加工まで幅広い応用が期待できる。

 

HZB【ベルリン・ヘルムホルツ資源エネルギーセンター】、HZDR【ドレスデン・ロッセンドルフ研究所】、ヴァージニア大学の研究者たちが、レーザービームを使って合金に磁性を書き込んだり消したりするという驚くべき効果を発見しました。このプロセスは可逆的であるため、光学技術、材料加工、データ・ストレージなど、様々な分野で応用できる可能性があります。

 

現在使われている技術のほとんどは、強磁性を可逆的に操作する代わりに、光学的に磁化の方向を切り替えています。今回、研究チームは、100フェムト秒（10のマイナス15乗秒）のレーザーパルスを用いて、ユニークな材料の強磁性秩序を可逆的に切り替えました。

 

特殊合金

研究チームは、鉄とアルミニウムの合金、Fe(60)Al(40)を使いました。その原子配列を微妙に変化させることで、磁気的挙動を完全に変えることができます。

 

具体的には、どのように行ったのでしょう？この合金は、アルミニウム原子の層が鉄原子の層で区切られた秩序構造を持っています。強力なレーザービームを照射すると、この秩序が破壊され、鉄原子が接近せざるを得なくなります。

 

研究チームは、透明なマグネシアの上にこの合金の薄いシートを作りました。マグネシアにレーザービームを通すと、強磁性領域が形成されました。次のレーザーパルス（強度は低い）を同じ領域に照射すると、合金に形成された磁性の効果は消失したのです。

 

レーザー光による情報の書き込み（左）と消去（右）

 

1回のレーザーパルス（低強度）で、以前の磁化レベルの半分近くが維持されました。一連のレーザーパルスで磁化は完全に消失しました。

 

実際にはどのように起こるのか？

イオンによる再配列は、いくつかの無秩序合金では実現可能であるものの、研究チームは、可逆的な秩序-無秩序スイッチングを実証していません。彼らは、カルコゲナイド系の表面反射率を可逆的に制御するために、レーザーパルスを使って、迅速なクエンチによってアモルファス-結晶転移を誘導しました。

 

シミュレーションによると、短いレーザーパルスが薄板合金を融解レベルまで加熱すると、強磁性状態が形成されます。これは徐々に冷却され、その間に「過冷却液体」状態になります。温度は融点以下に下がりますが、合金は溶融状態を維持します。

 

実験スキーム

 

核生成サイトの欠如が、合金がこの過冷却液体状態を達成する主な理由です。核生成サイトとは、原子が格子状に配列し始める微視的な領域を意味します。

 

原子が核生成部位を求めてさまよう間、温度低下は続きます。最終的に、過冷却液体状態の原子は固体格子を生成し、アルミニウム原子と鉄原子は格子内のランダムな位置に配置されます。このプロセス全体にかかる時間は非常に短く（ナノ秒単位）、原子のランダムな配置が磁性を形成します。

 

その後、強度を弱めた同じビームを使って、原子を元のように再配置します。シートの薄い層を溶かすだけで、固体材料の上に溶けたプールができます。

 

温度が融点を下回る瞬間（1ナノ秒以内）、合金シートの固体部分が再生し、原子がボサボサ構造から固体格子へと素早く再配列します。温度がまだ高く、すでに格子が形成されている場合、原子は格子の中を拡散し、アルミニウムと鉄の層に分かれるのに十分なエネルギーを持っています。

 

今回の実験では、レーザーパルスを同じ領域に10回まで繰り返し照射しても、合金シートを損傷させることはありませんでした。さらに、レーザー照射プロセス中の汚染や材料のアブレーションによって、再現性が制限される可能性もあります。

 

次の課題は？

研究チームは、同じ技術を他の合金でも調査する予定で、異なるレーザービームの複合的な影響を研究したいと考えています。そのためには、干渉効果を利用して、広い領域にわたって特定の磁性材料を作り出すことも考えられます。

 

これにより、特殊合金におけるフェムト秒レーザー誘起の急速加熱・冷却プロセス、特に、まだ十分に解明されていない秩序-無秩序転移の動力学とメカニズムに関する知識が向上するでしょう。