Dinámica de espín ultrarrápida: experimentos y modelos

Dos posibles enfoques para aumentar la densidad (la grabación magnética asistida por calor y la espintrónica) se basan, ambos, en la manipulación ultrarrápida de los portadores de información. Un consorcio de socios del máximo nivel que ya realizaba investigación en este campo inició el proyecto «Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics» (FEMTOSPIN) con el fin de profundizar en los conocimientos sobre los procesos rápidos.

Recientemente, se ha mostrado que los procesos ópticos de manipulación del espín y la magnetización son mucho más rápidos que los procesos convencionales basados en campos magnéticos generados por corrientes eléctricas. Para poder desarrollar dispositivos que los aprovechen se necesitan modelos que abarquen distintas escalas de tiempo. Para acceder a la escala de tiempo de los fotones, los electrones y las interacciones de espín se debe recurrir a la teoría de la función de densidad dependiente del tiempo (DFT). Por otra parte, para comparar los resultados de los modelos con resultados experimentales, se necesitan modelos de continuo mesoscópicos.

FEMTOSPIN trabaja para trasladar la información de DFT al modelo mesoscópico utilizando modelos de espín atomísticos. Para refinar los modelos y obtener más información, se realiza trabajo experimental.

Ahora, los cálculos de la estructura electrónica mediante DFT proporcionan información sobre los mecanismos y las propiedades subyacentes en la dinámica de magnetización ultrarrápida. En particular, los modelos ilustran el papel que desempeña el transporte de espín en los cambios de magnetización después de aplicar un pulso de láser. A continuación, los cálculos de la estructura electrónica se vinculan matemáticamente con los modelos atomísticos de espín clásicos. Juntos, estos se introducen en los modelos de macroespín a gran escala que constituyen un vínculo importante con los experimentos.

Los modelos han aportado información sobre numerosos fenómenos relacionados. El descubrimiento que habían realizado los socios de la conmutación de magnetización inducida térmicamente (conmutación con tan solo un pulso de calor y sin aplicación de campo magnético) antes de iniciar este proyecto había llamado la atención en todo el mundo. Ahora, el equipo ha hallado el origen aparente de este efecto. Además, los modelos predicen que esta inversión provocada por calor debe tener lugar en estructuras ferrimagnéticas sintéticas de dos capas ferromagnéticas acopladas antiferromagnéticamente. Actualmente se están realizando pruebas experimentales de esta predicción.

FEMTOSPIN está desarrollando modelos multiescala de importancia vital sobre los fenómenos de magnetización validados mediante investigación experimental avanzada. Un conocimiento más profundo de los comportamientos de los materiales con espín ordenado junto con el desarrollo de herramientas de modelización avanzadas dará lugar a una generación nueva de dispositivos de almacenamiento y procesamiento magnéticos de la información.