Hvordan laserimpulser kan manipulere magnetisering via ultrahurtig overførsel af elektroner

Laserimpulser kan manipulere magnetisering via ultrahurtig overførsel af elektroner gennem en proces kendt som spin-overførselsmoment (STT). Her er en oversigt over, hvordan dette sker:

1. Absorption af laserpuls:Når en ultrakort laserpuls, typisk i femtosekund til picosekund-området, rammer et magnetisk materiale, absorberes det af materialets elektroner gennem forskellige mekanismer såsom fotoexcitation eller multifotonabsorption. Denne absorption fører til en hurtig stigning i elektrontemperaturen.

2. Varmelektrongenerering:Den absorberede laserenergi exciterer et stort antal elektroner i materialet, hvilket skaber en ikke-ligevægtstilstand med en høj koncentration af varme elektroner. Disse varme elektroner har tilstrækkelig høj energi til at overvinde de potentielle barrierer ved materialets grænseflader.

3. Spin-afhængig spredning:Varme elektroner genereret af laserpulsen kan gennemgå spin-afhængig spredning med de magnetiske momenter af materialets atomer. Specifikt interagerer de varme elektroners spin med de magnetiske momenter af de magnetiske atomers lokaliserede d-elektroner.

4. Overførsel af spin-vinkelmoment:Under disse spin-afhængige spredningsbegivenheder overføres spin-vinkelmomentet for de varme elektroner til de lokaliserede d-elektroner i de magnetiske atomer. Denne overførsel af spin vinkelmoment udøver et drejningsmoment på atomernes magnetiske momenter, hvilket får dem til at præcessere omkring deres lette akser.

5. Magnetiseringsdynamik:Overførslen af ​​spin vinkelmomentum fra de varme elektroner til de lokaliserede d-elektroner fører til præcession af de magnetiske momenter, hvilket giver anledning til ultrahurtig magnetiseringsdynamik. Retningen og amplituden af ​​denne præcession afhænger af laserpulsens polarisering, intensitet og varighed.

6. Magnetisk omskiftning:Hvis laserimpulsen har tilstrækkelig energi og varighed, kan præcessionen af ​​de magnetiske momenter nå en kritisk vinkel, hvilket fører til vending af magnetiseringsretningen. Dette er almindeligvis kendt som optisk omskiftning eller laserinduceret magnetiseringsvending.

7. Femtosekunders tidsskalaer:De karakteristiske tidsskalaer for STT-induceret magnetiseringsdynamik er i størrelsesordenen femtosekunder til picosekunder, hvilket gør det til en ultrahurtig proces. Dette giver mulighed for manipulation af magnetisering på usædvanlig korte tidsskalaer.

Samlet set kan laserimpulser overføre spin-vinkelmomentum til de lokaliserede d-elektroner af magnetiske materialer via spin-overførselsmoment, hvilket muliggør ultrahurtig manipulation og omskiftning af magnetisering. Dette åbner op for muligheder for at udforske fundamentale aspekter af magnetisme, udvikle højhastigheds-spintroniske enheder og avancere teknologier såsom magnetisk tilfældig adgangshukommelse (MRAM) og ultrahurtige spintroniske logiske kredsløb.