Ultrafast switching and control of nanoparticles' magnetization

Abstract

Magnetisierungsdynamik einer ferromagnetischen Nanopartikel in einem eindomänigen remanenten Zustand (Stoner Nanopartikel) wird untersucht. Theoretisch wird dies mithilfe der Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung beschrieben, die die Dynamik eines klassischen Magne-tisierungsvektors bei endlichen Temperaturen darstellt. Von Interesse sind ferromagnetische Legierungen, z.B. FexPt1-x, die einen hohen Wert der Anisotropiestärke besitzen, um das superparamagnetische Verhalten der Nanopartikel bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden. Zunächst wird ein externes kontinuierliches magnetisches Feld an die Stoner Nanopartikel angelegt, wobei man unter dem Wort kontinuierlich ein Feld versteht, bei dem die Zeitskala der Feldvariationen mindestens nicht kürzer als die feld-freie Prezässion ist. Das daraus resultierende dynamische Verhalten zeigt eine Abhängigkeit von der Temperatur für statische Felder und von dem Dämpfungsparameter für zeitabhängige Felder. Typische über mehrere Perioden gemittelte Ummagnetisierungszeiten, die im Zusammenhang mit den berechneten minimalen Ummagnetisierungsfeldern stehen, sind in der Größenordnung von mehreren Nanosekunden für statische Felder und von hunderten Pikosekunden bis zu wenigen Nanosekunden für zeitabhängige Felder. Wird die ferromagnetische Nanopartikel ultrakurzen magnetischen Impulsen unterworfen, für die die Dauer des Impulses viel kürzer als die feld-freie Prezässion ist, wird eine klare analytische Strategie vorgeschlagen, die auf der Lösung der nicht-stochastischen Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung basiert. Es wird weiterhin gezeigt, dass zwei senkrechtstehende magnetische ultrakurze Impulse in der Lage sind, die Magnetisierung zu kontrollieren und umzuschalten. Numerische Simulationen im Rahmen der vorgeschlagenen Strategie zeigen die Auswirkungen der verschiedenen Impulsdauer, eine gewisse Stabilisierung der Magnetisierung, eine thermisch-unterstützte Ummagnetisierung und den Einfluss verschiedener Anisotropiearten.