Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin HZB y la Universidad de Potsdam ha investigado el transporte de calor en un sistema modelo que comprende capas metálicas y magnéticas finas en nanómetros. Sistemas similares son candidatos para futuros dispositivos de almacenamiento de datos de alta eficiencia quepuede ser calentado localmente y reescrito por pulsos láser grabación magnética asistida por calor. Las mediciones tomadas con pulsos de rayos X extremadamente cortos ahora han demostrado que el calor se distribuye cien veces más lento de lo esperado en el sistema modelo. Los resultados se publican en Comunicaciones de la naturaleza .
Los metales generalmente conducen el calor extremadamente bien. El calentamiento local se distribuye casi instantáneamente a través de sus electrones libres. Por el contrario, los materiales aislantes sin electrones libres conducen el calor mucho más lentamente, dependiendo únicamente de las vibraciones reticulares. Un equipo dirigido por el Prof. Matias Bargheer dela Universidad de Potsdam, que dirige un Grupo de Investigación Conjunta sobre dinámica ultrarrápida en el HZB, ahora ha examinado de cerca el transporte de calor en un sistema de modelo metálico-magnético.
El sistema modelo consiste en una capa de níquel ferromagnético delgado de nanómetro 12.4 nm aplicado a un sustrato de óxido de magnesio, con una capa de oro aún más delgada 5.6 nm depositada sobre el níquel. Usando un pulso láser ultracorto 50femtosegundos, los físicos introdujeron calor localmente en el sistema modelo, luego con pulsos de rayos X extremadamente cortos 200 femtosegundos, determinaron cómo se distribuía el calor en las dos nanocapas a lo largo del tiempo. El primer descubrimiento: el sistema modelo no toma elaproximadamente un picosegundo para alcanzar el equilibrio térmico como se esperaba, pero en cambio cien veces más.
La secuencia de mediciones mostró exactamente lo que sucede: "Aunque el láser primero golpea la capa de oro, la red cristalina del oro permanece fría. Casi el 90 por ciento de la energía se transfiere a los electrones de níquel y se introduce en ese punto enla red cristalina de níquel ", informa Bargheer. Debido a que el sistema de electrones en el níquel está mucho más fuertemente acoplado a las vibraciones de la red cristalina de níquel que en el caso del oro, la red cristalina de níquel absorbe el calor de los electrones de níquel más rápidamente y los electrones de níquel inicialmenteSin embargo, dado que la conducción de calor a través de la red cristalina de níquel ahora más cálida pero poco conductora directamente a la red cristalina de oro más fría es muy baja, la energía térmica encuentra otra vía desde la red cálida de níquel a la red de oro más fría.equilibrio térmico, la energía térmica fluye hacia atrás desde la red de níquel a través de los electrones de níquel hasta los electrones de oro que a su vez excitan la vibra de la red de oroiones
"Con esta configuración experimental, hemos podido demostrar que vale la pena analizar este tipo de procesos de transporte en el dominio temporal. Por lo tanto, estamos muy contentos de que pronto podamos realizar tales experimentos en el momentofuente de rayos X BESSY II más potente que se actualizará a BESSY-VSR y luego ofrecerá simultáneamente pulsos de rayos X muy cortos pero intensos ", dice Bargheer.
Las futuras memorias de datos basadas en lo que se conoce como técnicas de grabación magnética asistida por calor HAMR pueden calentarse localmente y sobrescribirse con pulsos láser. Con una comprensión más profunda de los procesos de transporte, dichos sistemas podrían desarrollarse en talesde una manera que puedan manejar con una energía de entrada mínima.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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