Utrahurtig magnetisme:Elektron-fonon-interaktioner undersøgt på BESSY II

Hvor hurtigt kan en magnet skifte sin orientering, og hvad er de mikroskopiske mekanismer i spil? Et HZB-team på BESSY II har, for første gang, eksperimentelt vurderet den vigtigste mikroskopiske proces med ultrahurtig magnetisme. Metoden udviklet til dette formål kan også bruges til at undersøge interaktioner mellem spins og gitteroscillationer i grafen, superledere eller andre kvantematerialer.

Interaktioner mellem elektroner og fononer betragtes som den mikroskopiske drivkraft bag ultrahurtige magnetiserings- eller afmagnetiseringsprocesser (spin flips). Imidlertid, det var ikke muligt indtil nu at observere sådanne ultrahurtige processer i detaljer på grund af fraværet af egnede metoder.

Nu, et team ledet af prof. Alexander Föhlisch har udviklet en original metode til eksperimentelt at bestemme den elektron-fonon-drevne spin-flip-spredningshastighed i to modelsystemer:ferromagnetisk nikkel og ikke-magnetisk kobber. De brugte røntgenstråleemissionsspektroskopi (XES) på BESSY II til at gøre dette. Røntgenstråler exciterede kerneelektroner i prøverne (Ni eller Cu) for at skabe de såkaldte kernehuller, som derefter blev fyldt af henfaldet af valenselektroner. Dette henfald resulterer i udsendelse af lys, som derefter kan detekteres og analyseres. Prøverne blev målt ved forskellige temperaturer for at observere virkningerne af gittervibrationer (fononer) stigende fra stuetemperatur til 900 grader Celsius.

Efterhånden som temperaturen steg, ferromagnetisk nikkel viste et stærkt fald i emissioner. Denne observation passer godt med den teoretiske simulering af processer i den elektroniske båndstruktur af nikkel efter excitationer:Ved at øge temperaturen og dermed, fononpopulationen, hastigheden af ​​spredning mellem elektroner og fononer stiger. Spredte elektroner er ikke længere tilgængelige for henfald, hvilket resulterer i en aftagende lysudsendelse. Som forventet, i tilfælde af diamagnetisk kobber, gittervibrationerne havde næppe nogen indflydelse på de målte emissioner.

"Vi mener, at vores artikel ikke kun er af stor interesse for specialister inden for magnetisme, elektroniske egenskaber af faste stoffer og røntgenstråleemissionsspektroskopi, men også til en bredere læserskare, der er nysgerrig efter den seneste udvikling inden for dette dynamiske forskningsfelt, " siger Dr. Régis Decker, førsteforfatter og postdoc i Föhlisch-teamet. Metoden kan også bruges til analyse af ultrahurtige spin flip-processer i nye kvantematerialer såsom grafen, superledere eller topologiske isolatorer.