Laserdrevet spin-dynamik i ferrimagneter:Hvordan flyder vinkelmomentet?

Når de udsættes for intense laserpulser, magnetiseringen af ​​et materiale kan manipuleres meget hurtigt. Grundlæggende, magnetisering er forbundet med elektronernes vinkelmoment i materialet. Et team af forskere ledet af forskere fra Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har nu været i stand til at følge strømmen af ​​vinkelmoment under ultrahurtig optisk demagnetisering i en ferrimagnetisk jern-gadoliniumlegering i detaljer, for at forstå de grundlæggende processer og deres hastighedsgrænser. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Når magnetiseringen af ​​et ferromagnetisk legeme ændres, det begynder at rotere - denne forbindelse mellem magnetiseringen og vinkelmomentet blev observeret i et forsøg af Einstein og de Haas i 1915. Dette fænomen opstår, fordi det på mikroskopisk plan, magnetisering er iboende forbundet med elektronernes vinkelmoment. I modsætning til dengang Einstein og de Haas, fysikere ved nu, at både elektronens orbitale bevægelse omkring atomkernen såvel som dens spin genererer magnetiseringen. Faktisk, i et ferromagnetisk faststof, centrifugeringen genererer størstedelen af ​​magnetiseringen. Når vinkelmomentet bevares, en ændring i magnetisering må således ledsages af en ændring af andre former for vinkelmoment i systemet-i Einstein-de Haas-eksperimentet, dette var den resulterende rotation af en suspenderet magnet efter dens magnetisering var blevet ændret. På et mikroskopisk niveau, det er den tilsvarende bevægelse af atomerne, der udgør det sidste reservoir af vinkelmoment.

Belysning med en ultrakort laserpuls er et middel til at afmagnetisere et materiale meget hurtigt - for de prototypiske ferromagneter jern, kobolt og nikkel, for eksempel, magnetiseringen slukkes inden for cirka et picosekund (10 ^-12 sekunder) efter at laserpulsen har ramt materialet. Forskere har spekuleret over, hvilke kanaler vinkelmomentet, der er forbundet med magnetiseringen, overføres til andre reservoirer i løbet af den korte tid, der er til rådighed.

Forskerne fra MBI i Berlin, sammen med forskere fra Helmholtz Zentrum Berlin og Nihon University, Japan, var i stand til at følge denne strøm af vinkelmoment i detaljer for en jern-gadoliniumlegering. I dette ferrimagnetiske materiale, tilstødende jern (Fe) og gadolinium (Gd) atomer har magnetisering med modsat retning. Forskerne brugte ultrakorte røntgenpulser til at overvåge absorptionen af ​​cirkulært polariserede røntgenstråler af Fe- og Gd-atomerne som funktion af tiden efter tidligere laser-excitation. Denne tilgang er unik ved, at den gør det muligt at spore det magnetiske moment under den ultrahurtige demagnetisering ved begge typer atomer individuelt. Derudover det er muligt at skelne vinkelmoment, der er lagret i kredsløbets bevægelse vs. i elektronernes spin, når de respektive absorptionsspektre analyseres.

Via dette detaljerede røntgenbillede, forskerne fandt ud af, at afmagnetiseringsprocessen ved Gd -atomerne i legeringen er betydeligt hurtigere end i ren Gd. Imidlertid, dette skyldes ikke en udveksling af vinkelmoment mellem de forskellige typer atomer, på trods af deres antiparallelle justering. "Vi forstår den accelererede respons fra Gd som en konsekvens af de meget høje temperaturer, der genereres blandt elektronerne i legeringen, "siger Martin Hennecke, undersøgelsens første forfatter.

Interessant nok, en "omlægning" af vinkelmoment mellem elektronernes spin og orbitalbevægelse kunne heller ikke påvises, når man følger den laserinducerede demagnetisering med en tidsopløsning på ca. 100 femtosekunder (10 ^-13 sekunder) - dette er sandt lokalt ved alle Fe- og Gd -atomerne. Så hvordan flyder vinkelmomentet? "Naturligvis, al vinkelmoment overføres fuldstændigt til atomgitteret, "siger Hennecke." I tråd med de seneste teoretiske forudsigelser, spin-vinkelmomentet overføres først til orbitalbevægelsen ved det samme atom via spin-orbit-interaktionen, men vi kan ikke se det akkumulere der, da det direkte bevæger sig videre til atomgitteret. "Sidstnævnte proces er for nylig blevet teoretisk forudsagt at være så hurtig som et femtosekund, og de detaljerede eksperimenter bekræfter nu, at dette sidste overførselstrin faktisk ikke er en flaskehals i den samlede strøm af vinkelmoment.

I betragtning af at korte laserpulser også kan bruges til permanent at skifte magnetisering og dermed skrive bits til magnetisk dataregistrering, indsigten i dynamikken i disse grundlæggende mekanismer er relevant for at udvikle nye tilgange til at skrive data til massedatalagringsmedier meget hurtigere end muligt i dag.