超快泵浦探針實驗?zāi)軌蛲ㄟ^磁光效應(yīng)精確研究磁化動力學(xué)。這使得研究人員能夠監(jiān)測磁性材料在超短時間間隔內(nèi)演化的行為，從而提供對基礎(chǔ)物理學(xué)的見解并促進新技術(shù)的發(fā)展。在這里，我們重點介紹使用qCMOS相機的單次全光開關(guān)實驗，該相機擅長檢測來自單個50 fs脈沖的微弱信號。其低噪聲和高量子效率使其成為以高空間分辨率捕獲超快磁變化的理想選擇。

單光子全光學(xué)開關(guān)實驗

在過去的二十年里，激光脈沖激發(fā)已經(jīng)成為研究磁化動力學(xué)中最具適應(yīng)性的工具之一。該領(lǐng)域的研究揭示了用于光學(xué)控制磁化的新的且復(fù)雜的機制。由于其科學(xué)興趣和有前途的商業(yè)應(yīng)用，如磁阻隨機存取存儲器(MRAM)、自旋邏輯設(shè)備和軌道存儲器，它引起了人們的廣泛關(guān)注。在全光學(xué)泵-探針實驗中，通過磁光效應(yīng)測量磁化的變化，特別是光偏振角旋轉(zhuǎn)，該角與磁化成正比。使用超短脈沖光源可以實現(xiàn)亞皮秒時間分辨率，從而詳細研究磁化在脈沖激發(fā)后的動力學(xué)演變。然而，檢測不可逆全光學(xué)開關(guān)中單個50 fs脈沖產(chǎn)生的微弱磁光信號仍然是一個挑戰(zhàn)。

ORCA的好處?-對單次全光學(xué)泵浦-探針實驗的追求

科學(xué)相機在磁化動力學(xué)研究中的主要功能是用(亞)微米空間分辨率檢測磁光信號。這種相機的關(guān)鍵要求包括在目標(biāo)波長下低噪聲和高量子效率，因為信號由單個約50飛秒的激光脈沖提供。此外，實驗中的偏振旋轉(zhuǎn)可能小至幾毫度。由于單個激光脈沖包含的光子數(shù)量有限，像ORCA-Quest這樣的專用相機，具有低讀出噪聲和短曝光時間，是理想的選擇。相機的其他重要特征包括與激光和其他設(shè)備的堅固同步、高動態(tài)范圍、像素位深度以及與可調(diào)節(jié)軟件的無縫集成。

和許多在超快磁光成像研究領(lǐng)域的人都一樣，我們使用了CCD相機。然而，qCMOS傳感器憑借其無可匹敵的低讀出噪聲，似乎是一個改變游戲規(guī)則者。此外，在其他關(guān)于激光誘導(dǎo)動力學(xué)的實驗中，我們測量光學(xué)二次諧波圖像，這需要很長的曝光時間，長達幾分鐘。再次，ORCA-Quest由于高量子效率、大量的像素和板載的binning選項，提供了高質(zhì)量的圖像。

光學(xué)開關(guān)磁區(qū)域示例：亮色和暗色代表磁化平面外分量的相反取向。在兩個圖像中，泵浦區(qū)域的中心完全去磁并形成多域圖案。外邊緣被切換，并且可以通過第二個激光脈沖來回切換。這在激光脈沖重疊的區(qū)域中是可見的，導(dǎo)致亮暗相間的區(qū)域。

掃描模式：超靜音掃描模式;讀出模式：區(qū)域;binning 4×4，觸發(fā)：全局重置。曝光時間：(左)33.94 μs = 單個100 fs探針脈沖，(右)100 ms = 100個探針脈沖。

未來研究的前景

未來，將實現(xiàn)的技術(shù)擴展到凈磁化率為零的反鐵磁性材料。對這類材料中域的可視化具有挑戰(zhàn)性，并需要先進的線性和非線性光學(xué)技術(shù)。

總之，ORCA-Quest相機通過可靠地檢測超快激光脈沖的弱信號，提升了單次拍攝的磁光成像。其性能支持單次開關(guān)研究和長時間曝光成像。未來研究將擴展到反鐵磁材料，這需要使用先進的光學(xué)技術(shù)進行域可視化。這將有助于我們進一步理解磁化控制及其在MRAM、自旋電子設(shè)備和其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

審核編輯 黃宇