Forze ottiche nel calore

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8451 (2023) Citare questo articolo

Una delle sfide principali nella tecnologia di registrazione magnetica termoassistita è l'accumulo di contaminanti chiamati striature sul trasduttore a campo vicino. In questo articolo, indaghiamo il ruolo delle forze ottiche originate dal gradiente del campo elettrico nella formazione dello striscio. Innanzitutto, sulla base di opportune approssimazioni teoriche, confrontiamo questa forza con la resistenza dell'aria e la forza termoforetica nell'interfaccia testa-disco per due forme di nanoparticelle striate. Quindi, valutiamo la sensibilità del campo di forza allo spazio dei parametri rilevanti. Troviamo che l'indice di rifrazione, la forma e il volume della nanoparticella hanno un impatto significativo sulla forza ottica. Inoltre, le nostre simulazioni rivelano che anche le condizioni dell’interfaccia, come la spaziatura e la presenza di altri contaminanti, influenzano l’entità della forza.

La densità di registrazione nelle tecnologie di registrazione convenzionali su unità disco si sta avvicinando al limite superparamagnetico, ma la richiesta di archiviazione dei dati è più alta che mai. La registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR) è la tecnologia leader per soddisfare questa crescente domanda1. Nell'HAMR, un trasduttore a campo vicino (NFT) viene illuminato con un laser tramite una guida d'onda (Fig. 1a). Ciò genera un forte campo ottico vicino al suo apice mediante l'eccitazione di un plasmone di superficie localizzato2. Questo plasmone di superficie viene utilizzato per riscaldare un supporto a base di FePt alla sua temperatura di Curie (\(> 800\) K) per eseguire operazioni di scrittura. Durante questo processo, la spaziatura media testa-disco è \(<10\) nm con pressioni nell'ordine delle decine di atmosfere. Il gradiente del campo di temperatura supera \(10^9 \) K/m3 e l'intensità del campo elettrico è circa \(7 \times 10^{7} \) V/m4 con un gradiente di \(5 \times 10 ^{16} \) V/m\(^2\). Queste condizioni estreme aprono la strada all’accumulo di contaminazioni, note come striscio, sulla testa5,6,7 (Fig. 1b). Una comprensione fondamentale dello striscio è fondamentale in quanto è un fattore chiave che limita l'affidabilità delle unità HAMR. Numerose indagini si sono concentrate sul meccanismo correlato alla temperatura che guida la formazione della macchia8,9,10,11; tuttavia, a nostra conoscenza, nessuno studio ha ancora considerato gli effetti del gradiente del campo elettrico e il suo potenziale di intrappolamento.

Nel suo lavoro fondamentale, Arthur Ashkin12 ha dimostrato che un raggio laser focalizzato può intrappolare una particella microscopica a causa di una forza ottica. Questa forza costituisce la base delle pinzette ottiche. Inoltre, negli ultimi decenni, questa teoria è stata estesa per superare il limite di diffrazione della luce attraverso pinzette plasmoniche13, che utilizzano polaritoni plasmonici di superficie (SPP) e risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR). Con il plasmone di superficie sull'NFT e i grandi gradienti di campo elettrico che lo attraversano, l'interfaccia testa-disco può agire come una pinzetta plasmonica che intrappola le particelle di striscio. In questo studio, esaminiamo l'effetto di questo gradiente del campo elettrico sulla formazione dello striscio. Quantifichiamo le forze ottiche, di resistenza e termoforetiche utilizzando adeguate ipotesi teoriche. Quindi, confronteremo l'entità di queste forze per una nanoparticella sferica ed ellissoidale per mostrare il significato relativo della trappola ottica. I risultati suggeriscono la presenza di una trappola ottica che può influenzare la formazione dello striscio. Un'analisi di sensibilità sullo spazio dei parametri rilevanti suggerisce che le proprietà e la forma delle nanoparticelle dello striscio influenzano in modo significativo la forza ottica. Inoltre, troviamo che una minore spaziatura dell'interfaccia testa-disco e la presenza di contaminanti estranei possono aiutare il meccanismo di forza ottica della formazione dello striscio. Infine, riassumiamo i risultati e traiamo conclusioni che saranno utili nella progettazione dell'interfaccia testa-disco HAMR.

(a) Vista schematica del gruppo testa-disco HAMR (non in scala). Vengono mostrate anche due direzioni rispetto alla testa. La direzione verso il basso è lungo la direzione circonferenziale del disco e la direzione verticale è perpendicolare ad esso. La direzione della traccia trasversale è lungo la larghezza della testa e nel piano dello schema (b) Immagine sperimentale di striscio sulla testa dopo la scrittura HAMR5.