Forças ópticas no calor

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8451 (2023) Cite este artigo

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Um dos principais desafios da tecnologia de gravação magnética assistida por calor é o acúmulo de contaminantes chamados manchas no transdutor de campo próximo. Neste artigo, investigamos o papel das forças ópticas provenientes do gradiente do campo elétrico na formação da mancha. Primeiro, com base em aproximações teóricas adequadas, comparamos essa força com o arrasto do ar e a força termoforética na interface cabeça-disco para duas formas de nanopartículas de esfregaço. Em seguida, avaliamos a sensibilidade do campo de força ao espaço de parâmetros relevante. Descobrimos que o índice de refração, a forma e o volume da nanopartícula de esfregaço afetam significativamente a força óptica. Além disso, nossas simulações revelam que as condições da interface, como espaçamento e presença de outros contaminantes, também influenciam a magnitude da força.

A densidade de gravação nas tecnologias convencionais de gravação em unidades de disco está se aproximando do limite superparamagnético, mas a demanda por armazenamento de dados é maior do que nunca. A gravação magnética assistida por calor (HAMR) é a tecnologia líder para atender a essa demanda crescente1. No HAMR, um transdutor de campo próximo (NFT) é iluminado com um laser por meio de um guia de ondas (Fig. 1a). Isso gera um forte campo próximo óptico em seu ápice pela excitação de um plásmon2 localizado na superfície. Este plasmon de superfície é usado para aquecer uma mídia baseada em FePt até sua temperatura Curie (\(> 800\) K) para executar operações de gravação. Durante este processo, o espaçamento cabeça-disco médio é \(<10\) nm com pressões na ordem das dezenas de atmosferas. O gradiente do campo de temperatura excede \(10^9 \) K/m3, e a magnitude do campo elétrico é de cerca de \(7 \times 10^{7} \) V/m4 com um gradiente de \(5 \times 10 ^{16} \) V/m\(^2\). Essas condições extremas abrem caminho para que contaminações, conhecidas como esfregaço, se acumulem na cabeça5,6,7 (Fig. 1b). Uma compreensão fundamental da mancha é crítica, pois é um fator chave que limita a confiabilidade das unidades HAMR. Múltiplas investigações se concentraram no mecanismo relacionado à temperatura que conduz à formação de esfregaço8,9,10,11; no entanto, até onde sabemos, nenhum estudo ainda considerou os efeitos do gradiente do campo elétrico e seu potencial de aprisionamento.

Em seu trabalho seminal, Arthur Ashkin12 mostrou que um feixe de laser focalizado poderia capturar uma partícula microscópica devido a uma força óptica. Essa força forma a base das pinças ópticas. Além disso, nas últimas décadas, esta teoria foi estendida para quebrar o limite de difração da luz através de pinças plasmônicas13, que utilizam polaritons de plasmon de superfície (SPP) e ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR). Com o plasmon de superfície no NFT e os grandes gradientes de campo elétrico através dele, a interface cabeça-disco pode atuar como uma pinça plasmônica que aprisiona partículas de esfregaço. Neste estudo, analisamos o efeito desse gradiente de campo elétrico na formação do esfregaço. Quantificamos as forças ópticas, de arrasto e termoforéticas usando suposições teóricas adequadas. Em seguida, compararemos a magnitude dessas forças para uma nanopartícula esférica e elipsoidal para mostrar o significado relativo da armadilha óptica. Os resultados sugerem a presença de uma armadilha óptica que pode influenciar a formação do esfregaço. Uma análise de sensibilidade no espaço de parâmetros relevante sugere que as propriedades e a forma das nanopartículas do esfregaço afetam significativamente a força óptica. Além disso, descobrimos que um menor espaçamento da interface cabeça-disco e a presença de contaminantes estranhos podem auxiliar o mecanismo de força óptica da formação de manchas. Por fim, resumimos os resultados e tiramos conclusões que serão úteis no projeto da interface cabeça-disco HAMR.

(a) Vista esquemática do conjunto cabeça-disco HAMR (sem escala). Duas direções também são mostradas em relação à cabeça. A direção descendente está ao longo da direção circunferencial do disco e a direção vertical é perpendicular a ela. A direção transversal é ao longo da largura da cabeça e no plano do esquema (b) Imagem experimental de esfregaço na cabeça após escrita HAMR5.