Einstein-de Haas-effekten giver ny indsigt i et forvirrende magnetisk fænomen

For mere end 100 år siden, Albert Einstein og Wander Johannes de Haas opdagede, at når de brugte et magnetfelt til at vende den magnetiske tilstand af en jernstang, der dinglede fra en tråd, stangen begyndte at rotere.

Nu har eksperimenter på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory for første gang set, hvad der sker, når magnetiske materialer afmagnetiseres ved ultrahurtige hastigheder på milliontedele af en milliarddel af et sekund:Atomer på overfladen af ​​materialet bevæger sig, meget ligesom jernstangen gjorde. Arbejdet, udført ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, blev offentliggjort i Natur tidligere på måneden.

Christian Dornes, en videnskabsmand ved ETH Zürich i Schweiz og en af ​​hovedforfatterne af rapporten, siger, at dette eksperiment viser, hvordan ultrahurtig demagnetisering går hånd i hånd med det, der er kendt som Einstein-de Haas-effekten, løse et mangeårigt mysterium på området.

"Jeg lærte om disse fænomener i mine klasser, men faktisk at se på egen hånd, at overførslen af ​​vinkelmoment faktisk får noget til at bevæge sig mekanisk, er virkelig fedt, "Dornes siger." At kunne arbejde på atomskalaen sådan og relativt direkte se, hvad der sker, ville have været en total drøm for de store fysikere for hundrede år siden. "

Snurrende hav af skatere

På atomær skala, et materiale skylder sin magnetisme sine elektroner. I stærke magneter, magnetismen kommer fra en kvantegenskab af elektroner kaldet spin. Selvom elektron -spin ikke indebærer en bogstavelig rotation af elektronen, elektronen virker på nogle måder som en lille roterende bold. Når de fleste spins peger i samme retning, som et hav af skøjteløbere, der piruetter i forening, materialet bliver magnetisk.

Når magnetiseringen af ​​materialet vendes med et eksternt magnetfelt, skaternes synkroniserede dans bliver til en hektisk vanvid, med dansere, der snurrer i alle retninger. Deres netto vinkelmomentum, som er et mål for deres rotationsbevægelse, falder til nul, da deres spins annullerer hinanden. Da materialets vinkelmoment skal bevares, det omdannes til mekanisk rotation, som Einstein-de Haas-eksperimentet demonstrerede.

Vrid og råb

I 1996 forskere opdagede, at zapping af et magnetisk materiale med en intens, superhurtig laserpuls afmagnetiserer det næsten øjeblikkeligt, på en femtosekunders tidsskala. Det har været en udfordring at forstå, hvad der sker med vinkelmomentet, når dette sker.

I denne avis, forskerne brugte en ny teknik på LCLS kombineret med målinger foretaget på ETH Zürich for at forbinde disse to fænomener. De demonstrerede, at når en laserpuls starter ultrahurtig demagnetisering i en tynd jernfilm, ændringen i vinkelmomentum omdannes hurtigt til et indledende kick, der fører til mekanisk rotation af atomerne på overfladen af ​​prøven.

Ifølge Dornes, en vigtig ting fra dette eksperiment er, at selvom effekten kun er synlig på overfladen, det sker i hele prøven. Når vinkelmomentum overføres gennem materialet, atomerne i hovedparten af ​​materialet forsøger at vride, men annullere hinanden. Det er som om en skare mennesker pakkede på et tog alle forsøgte at dreje på samme tid. Ligesom kun mennesker i udkanten ville have frihed til at bevæge sig, kun atomerne på overfladen af ​​materialet er i stand til at rotere.

Skrabning af overfladen

I deres eksperiment, forskerne sprængte jernfilmen med laserpulser for at starte ultrahurtig demagnetisering, derefter græsset den med intense røntgenstråler i en vinkel så lavvandet, at den var næsten parallel med overfladen. De brugte de mønstre, der blev dannet, da røntgenstrålerne spredte sig fra filmen for at lære mere om, hvor vinkelmomentet går under denne proces.

"På grund af den lave vinkel på røntgenstrålerne, vores eksperiment var utroligt følsomt over for bevægelser langs overfladen af ​​materialet, "siger Sanghoon Song, en af ​​tre SLAC -forskere, der var involveret i forskningen. "Dette var nøglen til at se den mekaniske bevægelse."

For at følge op på disse resultater, forskerne vil foretage yderligere eksperimenter på LCLS med mere komplicerede prøver for mere præcist at finde ud af, hvor hurtigt og direkte vinkelmomentet slipper ud i strukturen. Det, de lærer, vil føre til bedre modeller for ultrahurtig demagnetisering, som kunne hjælpe i udviklingen af ​​optisk styrede enheder til datalagring.

Steven Johnson, en videnskabsmand og professor ved ETH Zürich og Paul Scherrer-instituttet i Schweiz, der ledede undersøgelsen, siger, at gruppens ekspertise inden for områder uden for magnetisme gav dem mulighed for at nærme sig problemet fra en anden vinkel, bedre positionere dem til succes.

"Der har været adskillige tidligere forsøg fra andre grupper på at forstå dette, men de mislykkedes, fordi de ikke optimerede deres eksperimenter til at lede efter disse små effekter, " siger Johnson. "De blev oversvømmet af andre meget større effekter, såsom atombevægelse på grund af laservarme. Vores eksperiment var meget mere følsomt over for den slags bevægelse, der er resultatet af vinkelmomentoverførslen."