Fuerzas ópticas en calor

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8451 (2023) Citar este artículo

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Un desafío principal en la tecnología de grabación magnética asistida por calor es la acumulación de contaminantes llamados manchas en el transductor de campo cercano. En este artículo, investigamos el papel de las fuerzas ópticas que se originan en el gradiente del campo eléctrico en la formación de manchas. Primero, con base en aproximaciones teóricas adecuadas, comparamos esta fuerza con el arrastre del aire y la fuerza termoforética en la interfaz cabeza-disco para dos formas de nanopartículas de frotis. Luego, evaluamos la sensibilidad del campo de fuerza al espacio de parámetros relevante. Encontramos que el índice de refracción, la forma y el volumen de las nanopartículas de frotis afectan significativamente la fuerza óptica. Además, nuestras simulaciones revelan que las condiciones de la interfaz, como el espacio y la presencia de otros contaminantes, también influyen en la magnitud de la fuerza.

La densidad de grabación en las tecnologías de grabación de unidades de disco convencionales se acerca al límite superparamagnético, sin embargo, la demanda de almacenamiento de datos es mayor que nunca. La grabación magnética asistida por calor (HAMR) es la tecnología líder para satisfacer esta creciente demanda1. En HAMR, un transductor de campo cercano (NFT) se ilumina con un láser a través de una guía de ondas (Fig. 1a). Esto genera un fuerte campo cercano óptico en su vértice por la excitación de un plasmón2 de superficie localizado. Este plasmón de superficie se utiliza para calentar un medio basado en FePt a su temperatura de Curie (\(> 800\) K) para realizar operaciones de escritura. Durante este proceso, el espacio medio entre la cabeza y el disco es \(<10\) nm con presiones de decenas de atmósferas. El gradiente del campo de temperatura excede \(10^9 \) K/m3, y la magnitud del campo eléctrico es de aproximadamente \(7 \times 10^{7} \) V/m4 con un gradiente de \(5 \times 10 ^{16} \) V/m\(^2\). Estas condiciones extremas allanan el camino para que las contaminaciones, conocidas como frotis, se acumulen en la cabeza5,6,7 (Fig. 1b). Una comprensión fundamental de la mancha es fundamental, ya que es un factor clave que limita la confiabilidad de las unidades HAMR. Múltiples investigaciones se han centrado en el mecanismo relacionado con la temperatura que impulsa la formación de frotis8,9,10,11; sin embargo, hasta donde sabemos, ningún estudio ha considerado aún los efectos del gradiente del campo eléctrico y su potencial de atrapamiento.

En su trabajo seminal, Arthur Ashkin12 demostró que un rayo láser enfocado podía atrapar una partícula microscópica debido a una fuerza óptica. Esta fuerza forma la base de las pinzas ópticas. Además, en las últimas décadas, esta teoría se ha extendido para romper el límite de difracción de la luz a través de pinzas plasmónicas13, que utilizan polaritones de plasmones de superficie (SPP) y resonancia de plasmones de superficie localizada (LSPR). Con el plasmón de superficie en la NFT y los grandes gradientes de campo eléctrico a través de él, la interfaz cabeza-disco puede actuar como una pinza plasmónica que atrapa partículas de frotis. En este estudio, analizamos el efecto de este gradiente de campo eléctrico en la formación de frotis. Cuantificamos las fuerzas ópticas, de arrastre y termoforéticas utilizando suposiciones teóricas adecuadas. Luego, compararemos la magnitud de estas fuerzas para una nanopartícula esférica y elipsoidal para mostrar la importancia relativa de la trampa óptica. Los resultados sugieren la presencia de una trampa óptica que puede influir en la formación de frotis. Un análisis de sensibilidad en el espacio de parámetros relevante sugiere que las propiedades y la forma de las nanopartículas de frotis afectan significativamente la fuerza óptica. Además, encontramos que un menor espacio entre la interfaz de la cabeza y el disco y la presencia de contaminantes extraños pueden ayudar al mecanismo de fuerza óptica de formación de frotis. Finalmente, resumimos los resultados y sacamos conclusiones que serán útiles en el diseño de la interfaz cabeza-disco HAMR.

(a) Vista esquemática del conjunto de cabeza y disco HAMR (no está a escala). También se muestran dos direcciones con respecto a la cabeza. La dirección descendente es a lo largo de la dirección circunferencial del disco, y la dirección vertical es perpendicular a ella. La dirección transversal es a lo largo del ancho de la cabeza y en el plano del esquema (b) Imagen experimental de frotis en la cabeza después de la escritura HAMR5.

Comenzamos suponiendo que la unidad de frotis fundamental es una partícula. Esto simplifica nuestro análisis a medida que investigamos el campo de fuerza experimentado por la partícula en una posición dada en la interfaz cabeza-disco. La fuerza electromagnética promedio sobre una partícula está determinada por los campos eléctricos y magnéticos en una superficie cerrada que envuelve la partícula14. La fuerza sobre la partícula se puede escribir como:

donde \(\varvec{E}\) y \(\varvec{H}\) son los campos eléctrico y magnético, respectivamente. \( \mu \) y \(\varepsilon \) son la permeabilidad relativa y la permitividad relativa del medio circundante, respectivamente. \(\varvec{T}\) es el tensor de tensión de Maxwell, \(\varvec{n}\) es la unidad normal perpendicular al área integral ds. La integral es sobre una superficie que encierra la partícula. Resolviendo esta ecuación se obtienen dos componentes de fuerza. Una es la fuerza de dispersión y la otra es la fuerza óptica14. El primero apunta a lo largo del vector k en el plano (es decir, a lo largo de la dirección de propagación). También se conoce como presión de radiación. Por el contrario, la fuerza óptica se encuentra a lo largo del vector de gradiente del campo eléctrico y es responsable del efecto de pinzas ópticas/plasmónicas.

Calcular el tensor de tensión de Maxwell y la posterior integración es muy difícil de implementar y requiere largos cálculos. Por lo tanto, usamos una aproximación adecuada para derivar una ecuación de forma cerrada. Cuando el tamaño de la partícula es suficientemente más pequeño que la longitud de onda de la luz, se recurre a la aproximación dipolo o de Rayleigh. La partícula se aproxima como un dipolo puntual que actúa sobre un campo eléctrico externo. Las fuerzas ópticas y de dispersión bajo este supuesto están dadas por14,15:

donde \(n_m\), I y \({\hat{z}}\) son el índice de refracción del medio circundante, la intensidad de la luz y la dirección de propagación, respectivamente. \(C_{pr}\) es la sección transversal de la presión de radiación dada por,

y \(\varvec{p}\) es la polarización dada por,

donde r es el radio de la partícula y \(\varepsilon \), \(\varepsilon _m\) son la permitividad relativa de la partícula y el medio circundante. \(\varepsilon _0\) es la permitividad del vacío. c y k son la velocidad y el número de onda de la luz, respectivamente. Por lo tanto, podemos escribir la fuerza sobre la partícula como:

donde, \( I = \frac{1}{2} c \varepsilon _0 n_m | \varvec{E}^2|\) es la intensidad de la luz. Como la fuerza óptica es proporcional a \(r^3\) y la fuerza de dispersión es proporcional a \(r^6\), para \(r\ll 1\), tenemos \(\varvec{F}_{ dispersión} \ll \varvec{F}_{óptica}\). Por lo tanto, despreciaremos los efectos de dispersión en el resto de este informe.

La interfaz cabeza-disco en las cercanías de la NFT abarca varias decenas de nanómetros a lo largo de la superficie de la cabeza y menos de 10 nm en la dirección vertical a través de la interfaz cabeza-disco. Las estructuras delgadas pueden encajar bien en este espacio. Podemos aproximarnos a la estructura en forma de escamas como un elipsoide con una relación de aspecto muy alta. Gans16,17,18 desarrolló una polarización modificada para una partícula elipsoidal dada por:

donde \(r_i\) y \(L_i\) son el radio y un factor geométrico en la dirección \(i^{\text{ th }}\), respectivamente. \(L_i\) oscila entre 0 y \(\frac{1}{3}\) y está dada por,

Aquí, \(r_i\) es el radio del elipsoide en la dirección respectiva. Usando los factores de polarización modificados, la fuerza óptica neta viene dada por,

Llamamos al término entre paréntesis factor de mejora \(\left( E_f \right) \) ya que indica la mejora del campo que una partícula induce a su alrededor. El denominador en este término indica la posibilidad de una singularidad cuando el factor geométrico y la permitividad satisfacen la condición de Fröhlich, dada por:

A medida que la permitividad de la partícula se acerca al valor dado por la ecuación. (14), la fuerza experimentada por la partícula aumenta drásticamente. Dado que \(L_i\) siempre es menor que 1, la condición se cumple solo cuando la parte real de la permitividad es negativa. En tales materiales, el componente imaginario de la permitividad es distinto de cero; así, la fuerza no alcanza una singularidad. Sin embargo, esta condición es interesante porque cuando la parte real cumple la condición de Fröhlich, la fuerza óptica alcanza su valor máximo. La relevancia de esta condición se explorará cuando estudiemos la dependencia material de la fuerza óptica.

La termoforesis es la acción colectiva del movimiento browniano de las partículas de aire debido a un gradiente de temperatura. Debido a la temperatura desigual en los dos extremos de la partícula, se genera una fuerza neta que se dirige hacia el lado más frío19. Dado que la interfaz cabeza-disco tiene un gradiente de temperatura desde el disco caliente hasta la cabeza relativamente más fría, una fuerza termoforética dirigida hacia la NFT puede actuar sobre una partícula de mancha.

Aunque la presión del aire en la interfaz cabeza-disco está en el límite continuo, el camino libre medio de una molécula de gas es mucho mayor que la longitud característica del espacio cabeza-disco, por lo que es más apropiado un límite de gas de molécula libre. La fuerza termoforética, en este caso, fue desarrollada por Torczynski y reportada en Gallis20.

Donde r, n, \(k_B\) son el radio de la esfera, la densidad numérica del gas y la constante de Boltzmann. \(T_H\) y \(T_C\) son la temperatura en el extremo caliente y frío, respectivamente. Dado que esta ecuación se desarrolló para una esfera y no para un elipsoide, limitaremos el uso de la fórmula a la nanopartícula esférica.

En el caso de la fuerza de arrastre, las fuerzas pueden considerarse como el arrastre de presión o el arrastre de fricción superficial. En el caso del arrastre por presión, Epstein formuló la fuerza de arrastre en régimen molecular libre como21:

donde \(\alpha \) es un factor que depende de la colisión de la partícula de gas con la superficie de la nanopartícula. En el caso de esferas muy pequeñas, \(\alpha \) está cerca de 1. En el caso de una estructura elipsoidal con una alta relación de aspecto, domina la fuerza de fricción de la piel. El componente de fricción de la piel se puede aproximar por la fuerza de corte experimentada por la cabeza. La fuerza cortante total en la cabeza se calcula mediante una simulación de rodamientos de aire. Si la fuerza cortante total es \(F_{s,total}\), entonces

donde \(A_{elipsoide}\) y \(A_{cabeza}\) son las áreas de superficie proyectadas del elipsoide y la cabeza, respectivamente.

Aparte de las fuerzas termoforéticas y de arrastre, existen muchas otras fuerzas en una interfaz de cabeza-disco típica de HAMR. Una fuerza importante es la fuerza de van der Waals que atrae las partículas hacia la cabeza o el disco. Sin embargo, dada la alta temperatura y los materiales complejos en la cabeza y el disco, es difícil calcular con precisión las fuerzas de van der Waals. Por lo tanto, este estudio restringirá la comparación de la fuerza óptica con la termoforética y la fuerza de arrastre.

El primer conjunto de simulaciones comienza con una interfaz cabeza-disco llena de aire limpio con un espacio de 8 nm. El aire limpio se utilizó para comprender el origen de la acumulación de frotis. La densidad del aire se calcula a una presión de 25 atm. La masa representativa de cada molécula de aire es \(4,3 \times 10^{-26} \)kg. Simulamos dos partículas para comparar las fuerzas. Una es una nanopartícula esférica con un radio de 1 nm y la otra es un elipsoide con radios de 6 nm en la dirección del plano y 1 nm en la dirección vertical (ver Fig. 2). Las partículas tienen un índice de refracción de 1,53 a 830 nm de luz y una densidad de \(2650 \; \text {kg}/\text {m}^3\), correspondiente a una partícula de SiO\(_2\). Las fuerzas se calculan en tres direcciones. Primero, la dirección de la pista descendente que está a lo largo de la cabeza y paralela a la pista de escritura. En segundo lugar, la dirección transversal a la pista que es perpendicular a la pista de escritura ya lo largo del ancho de la cabeza. La tercera es la dirección vertical que es perpendicular al medio de grabación ya la superficie de soporte de aire del cabezal. Las direcciones vertical y descendente se muestran en la Fig. 1a. Las fuerzas se calcularon en cada punto del plano y las fuerzas resultantes se trazaron como un mapa de calor. Cada punto en este mapa de calor muestra la magnitud de la fuerza en la dirección que representa el mapa.

El campo eléctrico en la interfaz del conjunto de cabeza y disco HAMR se encuentra resolviendo las ecuaciones de Maxwell mediante una simulación de método de elementos finitos en el dominio de la frecuencia de un conjunto interno de cabeza y disco HAMR en CST Microwave Studio10. A continuación, se utiliza un solucionador de estado estacionario para calcular el campo de temperatura. Debido a la naturaleza patentada del diseño, no podemos publicar los campos eléctricos y de temperatura en el dominio público; sin embargo, se han utilizado como base para calcular las fuerzas ópticas presentadas en este informe.

Ilustración del elipsoide: los planos azul y rojo representan las superficies superior e inferior del disco y la cabeza, respectivamente. El disco verde en el centro es la nanopartícula de frotis elipsoidal. (a) La vista lateral del Elipsoide, (b) La vista isométrica.

En el caso de la partícula esférica, las fuerzas de arrastre, termoforéticas y ópticas se muestran en la Fig. 3. La magnitud de la fuerza óptica es de aproximadamente 25 fN en la dirección descendente y 60 fN en la dirección vertical. Se observa un punto de estancamiento cerca del extremo posterior del transductor de campo cercano (NFT). Esta fuerza haría que la nanopartícula permaneciera cerca del NFT. Algunas de las características de las fuerzas en la dirección descendente son asimétricas, ya que el gradiente del campo eléctrico subyacente es asimétrico. Con las fuerzas en la dirección vertical (Fig. 3d), vemos una fuerza positiva que tira de la partícula hacia la NFT (alejándola del disco). Sin embargo, las fuerzas son menores en comparación con las fuerzas de arrastre y termoforéticas. Indican que las fuerzas ópticas sobre las partículas esféricas de SiO\(_2\) no superarían las fuerzas, empujando la partícula aguas abajo de la NFT.

Comparación de fuerzas en una partícula esférica: (a) Fuerza óptica en la dirección descendente en un plano 1 nm por debajo de la cabeza, (b) la fuerza de arrastre en la dirección descendente, (c) la fuerza termoforética en la dirección descendente. dirección de la pista, (d) la fuerza óptica en la dirección vertical, (e) la fuerza termoforética en la dirección vertical.

En el caso de la partícula elipsoidal, las fuerzas ópticas y la fuerza de arrastre se muestran en la Fig. 4. El comportamiento general y el patrón de las fuerzas ópticas son similares a los del caso esférico. Sin embargo, vale la pena señalar que para una forma elipsoidal, la fuerza que actúa sobre la partícula es un orden de magnitud mayor que la partícula de forma esférica. La fuerza óptica sobre la partícula elipsoidal es 44 veces mayor, mientras que su fuerza de arrastre es 2 veces mayor. Esto se debe a que la fuerza óptica es directamente proporcional al volumen y la partícula elipsoidal alcanza un volumen mucho mayor en la interfaz delgada que la esfera. La fuerza de arrastre en la forma elipsoidal no aumenta tan dramáticamente con el volumen ya que el elipsoide se comporta como un cuerpo aerodinámico. Por lo tanto, las partículas de SiO\(_2\) de forma elipsoidal o esbelta experimentarían fuerzas ópticas significativas. Las fuerzas opuestas cerca del borde de salida de la NFT inducen un pozo de potencial que atrapa una partícula de mancha contra la fuerza de arrastre opuesta.

En la dirección vertical (Fig. 4c), las fuerzas son despreciables cerca del disco. Sin embargo, a medida que la partícula se acerca a la NFT, la fuerza óptica aumenta gradualmente. Específicamente, se ven grandes fuerzas cerca del borde delantero y trasero del NFT. Esto ocurre porque el plasmón superficial generado por el láser tiene su máxima intensidad en estos lugares. Las fuerzas opuestas crean una zona de atrapamiento de tal manera que una partícula de frotis que vuela en las cercanías del NFT es capturada por él. En combinación con las fuerzas observadas en la dirección descendente y transversal, se forma la trampa óptica que puede confinar partículas de mancha en la interfaz cabeza-disco. Este confinamiento puede iniciar una acumulación de frotis en la cabeza.

Comparación de fuerzas en una partícula elipsoidal: (a) Fuerza óptica en la dirección descendente, (b) la fuerza termoforética en la dirección descendente, (c) Fuerza óptica en la dirección vertical.

Además de SiO\(_2\), la mancha puede originarse a partir de una combinación compleja de materiales, incluidos metales de disco HAMR como hierro, platino y cobalto, y dieléctricos como el lubricante PFPE22,23. En esta subsección, variamos el material de frotis para determinar el impacto en la fuerza óptica. Las permitividades de los materiales impulsan principalmente la variación de las fuerzas ópticas. El componente que contiene la permitividad relativa es el factor de mejora de campo \(E_f\). Usando los valores de permitividad relativa (cuadrado del índice de refracción) encontrados en la literatura para diferentes partículas en la Tabla 1, calculamos la fuerza óptica a lo largo de las direcciones vertical, transversal y descendente. El pozo de potencial obtenido de estos gráficos se representa en la Fig. 5. Los resultados indican que los metales generalmente experimentan fuerzas ópticas mucho mayores que los dieléctricos. Además, incluso entre los metales que se evaluaron, el platino y el cobalto tienen el pozo de potencial más profundo. Entre los dieléctricos, las partículas de sílice tienen fuerzas ópticas mayores que el lubricante PFPE. Estas diferencias se pueden atribuir a los diferentes factores de mejora asociados con los diferentes materiales.

Trazamos el factor de mejora para estos materiales como una función de la relación de aspecto en la Fig. 5a-c. En estas gráficas, el radio en la dirección vertical, \(r_z\) se establece en 1 nm. En el caso del Hierro, cuando \(r_y = 1\)nm y \(r_x = 6.76\) nm, el factor geométrico, \(L_i = 0.0578\). Las permitividades del hierro y del aire son \(2.9425 + 3.4115i\) y 1, respectivamente. Cuando insertamos estos valores en la ecuación de Frölich, obtenemos \(E_f = 3.4776\), que es el punto donde el factor de mejora está en su punto máximo. Este pico se debe a que la parte real de su permitividad cumple la condición de Frölich. Como se mencionó anteriormente, el término imaginario de la permitividad relativa impide una singularidad. Se observa un comportamiento similar tanto para el cobalto como para el platino. Las dimensiones de los picos se representan en la Tabla 2. Para el platino, el factor de mejora aumenta rápidamente a valores que superan al hierro en un orden de magnitud. Sin embargo, estos valores se alcanzan solo en relaciones de aspecto extremadamente altas. En esas dimensiones, la partícula ya no se puede aproximar como un dipolo puntual con un gradiente de campo eléctrico uniforme a través de él. Las ecuaciones desarrolladas anteriormente, por lo tanto, ya no se aplicarían.

En el caso de PFPE (Fig. 5c), el factor de mejora crece hasta que alcanza un valor máximo constante. Cualquier aumento en la relación de aspecto tiene efectos insignificantes en el factor de mejora. También se puede observar un resultado similar para SiO\(_2\). Para PFPE y SiO\(_2\), los valores máximos de \(E_f\) son 0,27 y 0,44, respectivamente. Estos valores son menores que 1, por lo que los llamamos atenuación en lugar de mejora. Este resultado es consistente con los pozos de menor potencial que se ven en la Fig. 5.

(a–c) Mejora de campo para lubricantes de platino, hierro y PFPE. \(r_x\) es el radio en la dirección descendente, \(r_y\) es el radio en la dirección transversal y \(r_z\), el radio en la dirección vertical se fija en 1 nm. (d) El pozo de potencial normalizado en dirección descendente en un plano 1nm por debajo del cabezal para varios materiales (e) El pozo de potencial normalizado en dirección vertical para varios materiales.

El espacio entre la cabeza y el disco en HAMR varía según una variedad de factores. Aquí, examinamos cómo cambian las fuerzas ópticas con la variación del espacio entre la cabeza y el disco. Al igual que en las secciones anteriores, se realiza un análisis electromagnético para separaciones cabeza-disco de 8 nm, 4 nm y 2 nm. A continuación, se calcularon y analizaron las fuerzas ópticas sobre una partícula elipsoidal de SiO\(_2\). Los pozos de potencial normalizados de estos casos se muestran en la Fig. 6. Los tres gráficos muestran que la disminución del espaciado da como resultado un aumento en la fuerza óptica. Por lo tanto, en general, operar con un espacio mayor puede reducir potencialmente la recolección de frotis inducida ópticamente. Además, el aumento en la profundidad potencial a medida que pasamos de 8 nm a 4 nm y de 4 nm a 2 nm es similar. Esto sugiere que la velocidad a la que disminuye la fuerza óptica también disminuye a mayor espaciado. Por lo tanto, existe un límite más allá del cual cualquier aumento en el espacio no dará como resultado una caída significativa en la fuerza óptica.

Fuerzas ópticas para espacios variables: (a) dirección descendente (calculada en un plano 1 nm por debajo de la cabeza), (b) dirección transversal (calculada en un plano 1 nm por debajo de la cabeza), y (c) dirección vertical .

Nuestro análisis asumió una interfaz de aire limpio sin contaminación en todas las simulaciones anteriores. Sin embargo, en condiciones de funcionamiento, la interfaz cabeza-disco contiene muchos contaminantes. En esta subsección, analizamos la fuerza experimentada por una nanopartícula elipsoidal de frotis en un entorno donde ya están presentes otros contaminantes de frotis. Consideramos dos tipos de contaminantes. Dado que los materiales orgánicos, como el lubricante que recubre el disco, abundan en la interfaz, nuestro primer contaminante será una capa de mancha orgánica en la cabeza. En segundo lugar, como hemos demostrado, el platino exhibe un factor de mejora significativo y tiene el potencial de tener una influencia considerable en las fuerzas experimentadas por una nanopartícula secundaria. Así que introduciremos un cuerpo metálico de tamaño nanométrico hecho de platino en la interfaz y analizaremos los resultados.

En este caso, modelamos la interfaz cabeza-disco en dos capas. La primera capa adherida al disco estaba limpia y libre de contaminantes, y la segunda capa adherida a la cabeza estaba hecha completamente de frotis orgánicos. Al variar los espesores de las dos capas, esta configuración se parece al crecimiento de la mancha en la superficie de la cabeza a lo largo del tiempo. Tomando el índice de refracción de la capa orgánica como 1.3, calculamos y analizamos la fuerza óptica en dirección descendente y vertical para cada caso. Las fuerzas se normalizan usando la fuerza pico, y los pozos de potencial obtenidos se muestran en la Fig. 7. El primer caso es con una separación total de 4 nm sin ninguna mancha, el segundo caso cuando la separación total es de 4 nm con 2 nm cada uno. de aire y frotis, y el tercer caso es a un espaciamiento total de 2 nm sin ningún frotis, y el cuarto caso es a un espaciamiento total de 2 nm con 1 nm de aire y frotis.

El aumento de fuerza cuando introducimos el frotis para los casos de 2 nm y 4 nm es por un factor de 1,5. Por lo tanto, si fijamos el espaciado mientras permitimos que el frotis se acumule en la cabeza, aumentan las fuerzas ópticas experimentadas por una nanopartícula de frotis en la capa de aire. Además, el pozo de potencial en el segundo y tercer caso sigue un camino similar en ubicaciones críticas. En ambos casos, está presente una capa de aire de 2 nm. Esto demuestra que el grosor de la capa de aire determina la fuerza óptica sobre una nanopartícula de frotis. Cuando la mancha se acumula en la superficie de la cabeza, la profundidad efectiva del aire limpio se reduce. Por lo tanto, la interfaz se comporta como si el espacio entre la cabeza y el disco se redujera cuando estimamos la fuerza óptica. Estos resultados resaltan la importancia de mantener la interfaz cabeza-disco libre de capas de barrillo orgánico. De lo contrario, la fuerza óptica puede promover el crecimiento de frotis adicional.

Pozo de potencial normalizado a lo largo de diferentes direcciones para variar el espaciamiento y las tasas de contaminación: (a) dirección descendente y (b) dirección vertical.

En este caso, introducimos un objeto cilíndrico hecho de platino en una interfaz cabeza-disco limpia de 8 nm de espesor. El cilindro tiene un radio de 10 nm y una longitud de 2,2 nm. La partícula de platino se colocó en el disco. Luego calculamos la fuerza óptica y examinamos el campo de fuerza neto generado por la partícula de interfaz primaria en una nanopartícula secundaria. El campo de fuerza se normaliza con la fuerza cuando el objeto no está presente. El pozo de potencial subsiguiente en dirección descendente y vertical se muestra en la Fig. 8.

Descubrimos que la profundidad del pozo potencial en presencia de la partícula es aproximadamente 8 veces mayor en la dirección descendente y 20 veces mayor en la dirección vertical. Se encuentra que la caída máxima en el pozo de potencial está cerca de la superficie del cilindro. La fuerte caída se debe a que se genera un plasmón superficial secundario en la interfaz metal-aire del objeto. Este plasmón secundario induce un gran gradiente de campo eléctrico capaz de atrapar otras nanopartículas de frotis. Por lo tanto, las partículas de mancha en la vecindad del objeto metálico son atraídas hacia él en lugar de la NFT. Esta atracción y posterior adhesión al objeto metálico podría hacer que crezca en tamaño. Efectivamente, la partícula original y las que la rodean se comportan como un objeto compuesto con una forma arbitraria. Este objeto compuesto ahora tiene un volumen mucho mayor y, en consecuencia, una fuerza óptica mucho mayor que actúa sobre él inducida por el campo eléctrico de la NFT.

Pozo de potencial normalizado a lo largo de diferentes direcciones para el caso con y sin contaminación por partículas de platino: (a) dirección descendente y (b) dirección vertical.

Este artículo cuantifica la fuerza óptica sobre una nanopartícula de frotis en la interfaz Head-Disk. La investigación adicional sobre el espacio de parámetros relevante reveló las condiciones en las que la fuerza óptica puede tener efectos apreciables en la formación de manchas. Estos factores se pueden categorizar como frotis y parámetros de interfaz.

Los parámetros clave del frotis son la forma, el material y el volumen de la nanopartícula del frotis. Aumentar el volumen de la partícula da como resultado fuerzas más grandes. En el espacio cabeza-disco similar a una película, el aumento de volumen se logra considerando una escama de frotis con forma de disco/elipsoidal. Una forma elipsoidal combinada con la permitividad adecuada en los metales también permite que se satisfaga la condición de Fröhlich, lo que aumenta el efecto de 3 a 6 veces. Por lo tanto, los metales experimentan una fuerza óptica mucho mayor, incluso cuando están presentes en cantidades relativamente pequeñas. Los dieléctricos como la sílice y el lubricante PFPE no experimentan una mejora del campo, sino una atenuación. Sin embargo, en grandes cantidades, los dieléctricos pueden experimentar fuerzas ópticas significativas.

Los parámetros de interfaz son el espacio cabeza-disco y la presencia de otros contaminantes. Reducir el espacio entre la cabeza y el disco aumenta la fuerza óptica en una nanopartícula de frotis. Además, la presencia de contaminantes como una capa de barrillo existente y una partícula metálica puede aumentar la fuerza óptica experimentada por una partícula de barrillo secundaria. Los contaminantes metálicos tienen la mayor influencia en las fuerzas ópticas. El aumento de la fuerza es más de un orden de magnitud mayor que en el caso sin la partícula. Esto se debe a la formación de un plasmón de propagación de superficie secundaria en la interfase partícula metálica-aire.

Dado que las fuerzas ópticas dependen de la magnitud del gradiente del campo eléctrico, un cambio en el diseño de NFT puede dar lugar a diferentes fuerzas ópticas. Sin embargo, cuando una NFT genera un plasmón de superficie, las fuerzas ópticas estarán presentes cerca de él. La magnitud de la fuerza depende de la magnitud del gradiente del campo eléctrico. Se pueden realizar más estudios para comprender cómo las fuerzas ópticas dependen de los diseños de NFT. Las investigaciones futuras también explorarán modelos de fuerza óptica más complejos con consideraciones adicionales. Una consideración crucial es la permitividad de los diferentes materiales. Hemos asumido que la nanopartícula de frotis tiene la misma permitividad que su contraparte a granel. Sin embargo, el tamaño extremadamente pequeño de la partícula alteraría la permitividad. El efecto de los valores de permitividad modificados sería de interés. Otra área a investigar sería mirar más allá de la aproximación de Rayleigh para calcular la fuerza exacta en una nanopartícula de frotis. Las ecuaciones de Maxwell se pueden utilizar para calcular los campos eléctricos y magnéticos dispersos. Estos campos se pueden usar para calcular la fuerza óptica exacta usando el método del tensor de tensión de Maxwell (ecuación 2). Luego, los resultados se pueden usar para comparar la validez de la aproximación de Rayleigh utilizada en este informe.

Los conjuntos de datos utilizados para el estudio actual pueden estar disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por Western Digital Corporation. RT quisiera agradecer a S. Rajauria, E. Schreck e I. McFadyen por sus valiosos comentarios. RT también quisiera reconocer el apoyo del Laboratorio de Mecánica de Computadoras en UC Berkeley.

Departamento de Ingeniería Mecánica, UC Berkeley, Berkeley, CA, 94720, EE. UU.

Roshan Mathew Tom y David B. Bogy

Oficina de CTO, Western Digital Technologies, San Jose, CA, 95119, EE. UU.

Robert Smith, Óscar Ruiz y Qing Dai

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RT conceptualizó el objetivo, desarrolló el modelo e investigó los resultados. RS supervisó RT, realizó simulaciones ópticas y térmicas e investigó los resultados. OR concibió el problema inicial y brindó apoyo teórico. QD supervisó el proyecto y ayudó en la investigación de los resultados. DB proporcionó supervisión. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Roshan Mathew Tom.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia conocidos.

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Reimpresiones y permisos

Tom, RM, Smith, R., Ruiz, O. et al. Fuerzas ópticas en la interfaz cabezal-disco de grabación magnética asistida por calor. Informe científico 13, 8451 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35126-3

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Recibido: 27 febrero 2023

Aceptado: 12 de mayo de 2023

Publicado: 25 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35126-3

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