En elektromagnons hemmelige liv:Forskning tager et skridt i retning af ultrahurtig kontrol af magnetisme med lys

Forskere har afsløret, hvordan gittervibrationer og spins taler med hinanden i en hybrid excitation kendt som en elektromagnon. For at opnå dette brugte de en unik kombination af eksperimenter ved den røntgenfrie elektronlaser SwissFEL. At forstå denne grundlæggende proces på atomniveau åbner døren til ultrahurtig kontrol af magnetisme med lys.

Inden for et fast stofs atomgitter samarbejder partikler og deres forskellige egenskaber i bølgelignende bevægelser kendt som kollektive excitationer. Når atomer i et gitter skubber sammen, er den kollektive excitation kendt som en fonon. På samme måde, når atomets spin - magnetiseringen af ​​atomerne - bevæger sig sammen, er det kendt som en magnon.

Situationen bliver mere kompleks. Nogle af disse kollektive excitationer taler med hinanden i såkaldte hybrid-excitationer. En sådan hybrid excitation er en elektromagnon. Elektromagnoner får deres navn på grund af evnen til at excitere atomspin ved hjælp af lysets elektriske felt, i modsætning til konventionelle magnoner:en spændende udsigt til adskillige tekniske anvendelser. Alligevel er deres hemmelige liv på atomniveau ikke godt forstået.

Det er blevet mistænkt, at under en elektromagnon slingrer atomerne i gitteret, og spindene slingrer i en excitation, der i det væsentlige er en kombination af en fonon og en magnon. Men siden de første gang blev foreslået i 2006, er kun spin-bevægelsen nogensinde blevet målt. Hvordan atomerne i gitteret bevæger sig - hvis de overhovedet bevæger sig - er forblevet et mysterium. Så forstår også, hvordan de to komponenter taler med hinanden.

Nu, i en sofistikeret række eksperimenter med den schweiziske røntgenfrielektronlaser SwissFEL, har forskere ved PSI tilføjet disse manglende stykker til stiksaven. "Med en bedre forståelse af, hvordan disse hybride excitationer virker, kan vi nu begynde at undersøge muligheder for at manipulere magnetisme på en ultrahurtig tidsskala," forklarer Urs Staub, leder af Microscopy and Magnetism Group hos PSI, der ledede undersøgelsen.

Først atomerne, derefter spinsene

I deres eksperimenter på SwissFEL brugte forskerne en terahertz-laserpuls til at inducere en elektromagnon i en krystal af multiferroisk hexaferrit. Ved hjælp af tidsopløste røntgendiffraktionseksperimenter tog de ultrahurtige snapshots af, hvordan atomerne og spindene bevægede sig som reaktion på excitationen. Med dette beviste de, at atomerne i gitteret virkelig bevæger sig i en elektromagnon og afslørede, hvordan energi overføres mellem gitter og spin.

Et slående resultat af deres undersøgelse var, at atomerne bevæger sig først, mens spindene bevæger sig brøkdele senere. Når terahertz-impulsen rammer krystallen, skubber det elektriske felt atomerne i bevægelse og initierer den fononiske del af elektromagnonen. Denne bevægelse skaber et effektivt magnetfelt, der efterfølgende flytter spinsene.

"Vores eksperimenter afslørede, at excitationen ikke flytter spindene direkte. Det var tidligere uklart, om dette ville være tilfældet," forklarer Hiroki Ueda, beamline-forsker ved SwissFEL og den første forfatter til publikationen.

Hvis vi går videre, kunne holdet også kvantificere, hvor meget energi den fononiske komponent opnår fra terahertz-pulsen, og hvor meget energi den magnoniske komponent erhverver gennem gitteret. "Dette er et vigtigt stykke information til fremtidige applikationer, hvor man søger at drive det magnetiske system," tilføjer Ueda.

En fri elektronlaser, to strålelinjer, to krystaltilstande

Nøglen til deres opdagelse var evnen til at måle både de atomare bevægelser og spins i komplementære tidsopløste røntgendiffraktionseksperimenter ved de hårde og bløde røntgenstrålelinjer i SwissFEL.

Ved hjælp af hårde røntgenstråler på Bernina-forsøgsstationen studerede holdet atomernes bevægelse i gitteret. Den nyligt udviklede opsætning af forsøgsstationen, inklusive specialdesignede prøvekamre, tillader unikke ultrahurtige målinger ved hjælp af terahertz-felter i faste stoffer ved meget lave temperaturer.

For at studere bevægelserne af spins brugte holdet bløde røntgenstråler, som er mere følsomme over for ændringer i magnetiske systemer. Disse forsøg er udført på Furka forsøgsstation, som for nylig er gået i brugerdrift. Ved at indstille røntgenenergien til en resonans i materialet, kunne de fokusere specifikt på signalet fra spinsene – information, der normalt er maskeret.

"Målingen af ​​den fononiske del alene på Bernina var et stort skridt fremad. At også kunne få adgang til den magnetiske bevægelse med Furka er en eksperimentel mulighed, der næsten ikke findes andre steder i verden," kommenterer Staub.

Det grundlæggende princip er vigtigt for vores forståelse af andre fysiske processer

Ueda, Staub og kolleger har givet en forståelse af den mikroskopiske oprindelse af en elektromagnon. Denne forståelse er vigtig ikke kun for denne fysiske proces, men i en mere generel forstand.

De grundlæggende vekselvirkninger mellem gitter og spins understøtter mange fysiske effekter, der giver anledning til usædvanlige - og potentielt meget nyttige - materialeegenskaber:for eksempel højtemperatursuperledning. Kun med en bedre forståelse af sådanne effekter kommer kontrol.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Flere oplysninger: Hiroki Ueda et al., Non-equilibrium dynamics of spin-lattice coupling, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43581-9

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Paul Scherrer Institute