超高记录密度亚铁磁薄膜超快全光磁化反转动力学研究

The rapid development of modern information technology has posed a new challenge to ultrahigh-density and ultrafast-rate recording. The latest reports about all-optical magnetization reversal by ultrafast femtosecond laser heating GdFeCo ferrimagnetic film have paved a new way for ultrahigh-density and ultrafast-rate recording, which is becoming a new hot issue. In our study, the femtosecond laser pump-probe time-resolved spectroscopy combined with photo-magnetic synchronized time-resolved magneto-optical Kerr effect technique will be applied to study the ultrafast all-optical magnetization reversal dynamics of high coercivity magneto-optical recording material - - GdFeCo and TbFeCo ferrimagnetic films. The application of an independently developed photomagnetic synchronized time-resolved magneto-optical Kerr effect technique is the prerequisite and advantage for our research of ultrafast magnetization dynamics without magnetic field. Specifically, that is the study of the dependence of laser pulse width and pump fluence on all-optical magnetization reversal dynamics and the study of the influence of samples' structure on the magnetization reversal dynamics, through which we are intended to find out why the latest report on all-optical magnetization reversal cannot be found in the previously similar experiments, whether all-optical magnetization reversal is the unique characteristic of GdFeCo ferrimagnetic films or the general characteristic of ferrimagnetic films, and to study the physics mechanism and influencing factors of all-optical magnetization reversal.

现代信息技术的飞速发展对超高密度超高速信息存储提出新的挑战。最近研究报道磁光记录材料GdFeCo亚铁磁薄膜超快全光磁化反转的实现，为开发超高密度超高速信息存储器件提供了方向，成为当今国际磁信息存储研究的最新热点。本项目研究拟应用飞秒时间分辨磁光克尔光谱技术结合光-磁同步动态磁化磁光测试系统，对磁光记录材料高矫顽力的GdFeCo和TbFeCo亚铁磁薄膜的全光磁化反转超快动力学过程进行系统，深入的研究。其中，自主研发的光-磁同步测试系统的应用是开展无外加磁场作用的超快磁化动力学研究的前提和优势。具体将通过全光磁化反转对激发脉宽和激发流密度的依赖性研究，以及材料结构参数对全光磁化反转的影响研究，弄清为什么目前报道的全光磁化反转在之前类似的实验中都没观测到，以及全光磁化反转是GdFeCo的特性还是亚铁磁薄膜的共性，探索全光磁化反转的实现机理以及影响因素。预计研究结果将具有重要的科学意义和应用价值。

现代信息技术的飞速发展对数据存储容量及存储速度的要求越来越高。传统磁光记录材料GdFeCo合金飞秒激光超快诱导全光磁化反转的实现，为超高密度超快信息存储的发展提供了方向。然而这种新技术的发展面临两个主要问题，一是受到GdFeCo 合金磁晶各向异性能低及无定形结构的限制，记录密度不能有效提高。为提高超快磁记录的记录密度，需要设计新型结构材料。二是对于飞秒圆偏振光旋性依赖的全光磁化反转，其起源作用机制一直存在争议；有认为是源于磁圆二色性导致有效吸收激光能量的差异；也有认为源于圆偏振光反法拉第效应等效于强有效磁场的作用；区分这两类机制的关键在于怎样有效区分激光热效应和光诱导有效磁场效应的作用。为此，只有设计新型结构性能优异的记录材料，搞清外在激光条件对全光磁化反转的影响，才能真正促进超高密度超高速全光磁记录材料和技术的发展。.. 针对以上两个问题，本项目研究结合实验测试分析和计算建模模拟，运用飞秒时间分辨磁光Kerr光谱技术和光-磁同步动态磁化磁光测试系统开展实验研究，利用超快磁化动力学的原子自旋模型开展理论计算和模拟研究，对磁光记录材料稀土-过渡金属GdFeCo和TbFeCo亚铁磁薄膜的全光磁化反转超快动力学过程进行系统而深入的研究。一方面，我们构建了新型层状结构Gd/Fe(Co)亚铁磁耦合材料模型，以克服无定形结构不适于发展超高密度存储的缺点，通过模拟其飞秒线偏振激光超快热诱导全光磁化反转的过程，分析了其超快热诱导磁化反转的可行性以及影响因素。另一方面，我们开展了飞秒线偏振光激发GdFeCo合金薄膜的磁光性质的研究，搞清了激光的热效应和外加磁场效应对磁化反转动力学的影响；在此基础上，进一步研究圆偏振光旋性依赖全光磁化反转的起源机制，应用多尺度法构建材料圆偏振光旋性依赖全光磁化反转的Landau-Lifshitz-Bloch动力学方程，研究高磁晶各向异性的TbFe(Co)合金薄膜全光磁化反转的动力学过程和影响因素，模拟分析了激光热效应和圆偏振光诱导的有效磁场效应对全光磁化反转影响，探索了其作用机制。项目研究成果有望为合成性能优异超高密度超快磁记录材料提供参考和指引。