Badania wykonano w ramach realizacji projektu Harmonia 3 (2012/06/M/ST3/00475) Modyfikacja magnetycznych właściwości ultracienkich struktur z wykorzystaniem promieniowania elektromagnetycznego w szerokim zakresie spektralnym finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w Krakowie (2013-2017). Projekt był realizowany w ramach współpracy pomiędzy Konsorcjum (Uniwersytet w Białymstoku i Instytut Fizyki PAN w Warszawie) i Instytutem Fizyki, Akademia Nauk Republiki Czeskiej. W realizacji projektu współpracowano również z: i) Wojskową Akademią Techniczną, Instytutem Optoelektroniki, Warszawa i ii) Uniwersytetem Jagiellońskim, Wydziałem Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Kraków.

Badania wykonano w szerokiej współpracy krajowej i międzynarodowej z wykorzystaniem nowoczesnych technik pomiarowych w tym dużych urządzeń badawczych. Większość badanych materiałów stanowiły nanostruktury Pt/Co/Pt o całkowitej grubości rzędu kilkunastu nanometrów, czyli kilkudziesięciu warstw atomowych. Próbki wykonano techniką epitaksji wiązek molekularnych w ultra wysokiej próżni w IFPAN w Warszawie. Badania polegały na naświetlaniu próbek z wykorzystaniem różnych impulsowych źródeł promieniowania elektromagnetycznego (o parametrach przedstawionych na rysunku (a)), i obserwacji powstałych w wyniku naświetlania nieodwracalnych zmian strukturalnych i magnetycznych.

(a) Wykorzystane źródła promieniowania wyróżnione numerami: (1) femtosekundowe lasery, UwB; Białystok; (2) źródło plazmowe EUV, WAT, Warszawa; (3) FLASH, DESY, Hamburg; (4) źródło plazmowe CDL, IP ASCR, Praga; (5) laser excimerowy, HZDR, Rossendorf-Drezno; (6) źródło plazmowe PALS, IP ASCR, Praga; (7) laser Nd:YAG (z interferencją dwóch wiązek), Uniwersytet w Konstancji; (8) SACLA X-FEL, SPRring-8, Japonia. Gruba, zielona, pozioma linia oznacza czas wychładzania τchłod warstwy Pt/Co/Pt, wyznaczony eksperymentalnie techniką „pump-probe” ze źródłem 1; (b, c) modyfikacja warstwy Pt/Co/Pt  impulsami femtosekundowymi ze źródła 1: obraz optyczny (b) i magnetooptyczny (c), ze wstawką z obrazem z mikroskopii sił magnetycznych.

Przy wykorzystaniu wszystkich źródeł promieniowania zaobserwowano możliwość indukowania nieodwracalnej zmiany uporządkowania namagnesowania od kierunku w płaszczyźnie warstwy do kierunku prostopadłego. Efekt ten występował, mimo że proces zachodził w różny sposób. Naświetlanie krótkimi impulsami femtosekundowymi, o odpowiedniej energii, wywoływało „eksplozję” warstwy metalicznej, powodujące jej gwałtowne odparowanie. Przy dłuższych impulsach nanosekundowych, warstwy ulegały topnieniu a następnie ponownie krystalizowały. Przykładowy wynik modyfikacji warstwy Pt/Co/Pt przy wykorzystaniu naświetlania w Białymstoku impulsem femtosekundowym przedstawiony jest na rysunku: na obrazie optycznym (b) widoczny jest jasny obszar, w którym nastąpiło odparowanie warstwy metalicznej. Na obrazie magnetooptycznym tego samego fragmentu próbki (c) białe pierścienie oznaczają obszary, w których indukowana została faza namagnesowania prostopadłego. Przerywaną linią wydzielono obszar (widoczny na rysunku b) z odparowaną warstwą metaliczną. We wstawce są pokazane sub-mikronowe domeny magnetyczne, które zostały zarejestrowane z wykorzystaniem mikroskopii sił magnetycznych.

Uzyskane wyniki mogą być przydatne w rozwoju nowej gałęzi badań ultraszybkich procesów namagnesowania (takie efekty są istotne w zastosowaniach do np. nowych bardziej pojemnych i szybszych termoasystowanych pamięci magnetycznych – „HAMR”),  opracowaniu nowych technologii wytwarzania materiałów magnetycznych i ich strukturyzacji, czy w zastosowaniu nanostruktur magnetycznych jako czułych detektorów promieniowania elektromagnetycznego.

Opublikowane wyniki:

1. Maziewski, J.Fassbender, J. Kisielewski, M. Kisielewski, Z. Kurant, P. Mazalski, F. Stobiecki, A. Stupakiewicz, I. Sveklo, M. Tekielak, A. Wawro, and V. Zablotskii, Magnetization states and magnetization processes in nanostructures: From a single layer to multilayers, Phys. Status Solidi A, 211, 1005 (2014).
2. Kisielewski, W. Dobrogowski, Z. Kurant, A. Stupakiewicz, M. Tekielak, A. Kirilyuk, A. Kimel, Th. Rasing, L. T.Baczewski, A. Wawro, K. Balin, J. Szade, and A. Maziewski, Irreversible modification of magnetic properties of Pt/Co/Pt ultrathin films by femtosecond laser pulses, Journal of Applied Physics 115, 053906 (2014),
3. Dynowska, J.B. Pelka, D. Klinger, R. Minikayev, A. Bartnik, P. Dluzewski, M. Jakubowski, M. Klepka, A. Petruczik, O.H. Seeck, R. Sobierajski, I. Sveklo, A. A. Wawro and A. Maziewski, Structural investigation of ultrathin Pt/Co/Pt trilayer films under EUV irradiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 364, 33 (2015).
4. Szerenos, J. Kisielewski, A. Maziewski, and A. Stupakiewicz, “Photoinduced ultrafast magnetization dynamics in yttrium-iron garnet and ultrathin Co films”, IEEE Magn. Lett., 7, 5201404 (2016).
5. Wojciech Szuszkiewicz, Frédéric Ott, Jan Kisielewski, Iosif Sveklo, Elżbieta Dynowska, Roman Minikayev, Zbigniew Kurant, Rafał Kuna, Marcin Jakubowski, Andrzej Wawro, Ryszard Sobierajski, Andrzej Maziewski. Polarized neutron reflectivity and X-ray scattering measurements as tools to study properties of Pt/Co/Pt ultrathin layers irradiated by femtosecond laser pulses, PHASE TRANSITIONS, 2016, VOL. 89, NO. 4, 328-340, http://dx.doi.org/10.1080/01411594.2016.1156110
6. Sakamaki, K. Amemiya, I. Sveklo, P. Mazalski, M. O. Liedke, J. Fassbender, Z. Kurant, A. Wawro, and A. Maziewski, Formation of Co nanodisc with enhanced perpendicular magnetic anisotropy driven by Ga+ ion irradiation on Pt/Co/Pt films, PHYSICAL REVIEW B 94, 174422 (2016).
7. Kisielewski, Z. Kurant, I. Sveklo, M. Tekielak, A. Wawro, and A. Maziewski, Magnetic phases in Pt/Co/Pt films induced by single and multiple femtosecond laser pulses, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 119, 193901 (2016).
8. Sveklo, Iosif; Kurant, Zbigniew; Bartnik, Andrzej; Klinger, Dorota; Sobierajski, Ryszard; Wawro, Andrzej; Kisielewski, Jan; Tekielak, Maria; Maziewski, Andrzej, Modification of magnetic properties of Pt/Co/Pt trilayers driven by nanosecond pulses of extreme ultraviolet irradiation, J. Phys. D: Appl. Phys. 50(2017) 025001.
9. Jan Kisielewski, Iosif Sveklo, Zbigniew Kurant, Andrzej Bartnik, Marcin Jakubowski, Elzbieta Dynowska, Dorota Klinger, Ryszard Sobierajski, Andrzej Wawro, and Andrzej Maziewski, Near infrared and extreme ultraviolet light pulses induced modifications of ultrathin Co films, AIP ADVANCES 7, 056313 (2017).
10. Kisielewski, Z. Kurant, I. Sveklo, M. Tekielak, E. Dynowska, M. Jakubowski, A. Wawro and A. Maziewski, Modication of magnetization orientation in Pt/Co/Pt ultrathin films by femtosecond laser pulses, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 903 (2017) 012020 doi :10.1088/1742-6596/903/1/012020.
11. Wolska, R. Sobierajski, D. Klinger, M.T. Klepka, I. Jacyna, A. Wawro, M. Jakubowski, J. Kisielewski, Z. Kurant, I. Sveklo, A. Bartnik, A. Maziewski, Polarized XAFS study on the ultrathin Pt/Co/Pt trilayers modified with short light pulses, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 411 (2017) 112.
12. Kisielewski, Iosif Sveklo, Zbigniew Kurant, Dmitriy Mitin, Manfred Albrecht, Andrzej Wawro, Andrzej Maziewski i inni, Femtosecond laser pulse-induced perpendicular magnetization in Co ultrathin films with diverse surroundings, IEEE Trans. Magn. 53 (2017) 1100204.
13. Kisielewski, J. Kisielewski, I. Sveklo, A. Wawro, A. Maziewski, Micromagnetic Simulation of Spatial Distribution of Magnetization in Ultra-Thin Cobalt Layers with Gradient of Magnetic Anisotropy, IEEE Trans. Magn. 53 (2017) 2301204.