Vid exponering för intensiva laserpulser, magnetiseringen av ett material kan manipuleras mycket snabbt. I grunden magnetisering är ansluten till elektronernas vinkelmoment i materialet. Ett team av forskare som leds av forskare från Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har nu kunnat följa flödet av vinkelmoment under ultrasnabb optisk demagnetisering i en ferrimagnetisk järn-gadoliniumlegering i detalj, för att förstå de grundläggande processerna och deras hastighetsbegränsningar. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .

När magnetiseringen av en ferromagnetisk kropp förändras, det börjar rotera - detta samband mellan magnetisering och vinkelmoment observerades i ett experiment av Einstein och de Haas 1915. Detta fenomen uppstår eftersom det på mikroskopisk nivå, magnetisering är inneboende kopplad till elektronernas vinkelmoment. Till skillnad från Einstein och de Haas på den tiden, fysiker vet nu att både elektronens orbitalrörelse runt atomkärnan och dess snurr genererar magnetiseringen. Faktiskt, i ett ferromagnetiskt fast ämne, snurren genererar lejonparten av magnetiseringen. När vinkelmomentet bevaras, en förändring i magnetisering måste således åtföljas av en förändring av andra former av vinkelmoment i systemet-i Einstein-de Haas-experimentet, detta var den resulterande rotationen av en upphängd magnet efter dess magnetisering hade ändrats. På en mikroskopisk nivå, det är motsvarande rörelse för atomerna som utgör den sista reservoaren för vinkelmoment.

Belysning med en ultrakort laserpuls är ett sätt att avmagnetisera ett material mycket snabbt - för de prototypiska ferromagneterna järn, kobolt och nickel, till exempel, magnetiseringen släcks inom ungefär en pikosekund (10 ^-12 sekunder) efter att laserpulsen har träffat materialet. Forskare har undrat genom vilka kanaler vinkelmomentet i samband med magnetiseringen överförs till andra reservoarer under den korta tillgängliga tiden.

Forskarna från MBI i Berlin, tillsammans med forskare från Helmholtz Zentrum Berlin och Nihon University, Japan, kunde följa detta flöde av vinkelmoment i detalj för en järn-gadoliniumlegering. I detta ferrimagnetiska material, intilliggande järn (Fe) och gadolinium (Gd) atomer har magnetisering med motsatt riktning. Forskarna använde ultrakorte röntgenpulser för att övervaka absorptionen av cirkulärt polariserade röntgenstrålar av Fe- och Gd-atomerna som en funktion av tiden efter tidigare laserexcitation. Detta tillvägagångssätt är unikt genom att det gör det möjligt att spåra det magnetiska momentet under den ultrasnabba avmagnetiseringen vid båda typerna av atomer individuellt. Dessutom, det är möjligt att skilja vinkelmoment som lagras i orbitalrörelsen kontra i elektronernas snurr när respektive absorptionsspektra analyseras.

Via denna detaljerade röntgensyn, forskarna fann att avmagnetiseringsprocessen vid Gd -atomerna i legeringen är betydligt snabbare än i ren Gd. Dock, detta beror inte på ett utbyte av vinkelmoment mellan de olika typerna av atomer, trots deras parallellinriktning. "Vi förstår Gd:s accelererade svar som en följd av de mycket höga temperaturerna som genereras bland elektronerna i legeringen, "säger Martin Hennecke, studiens första författare.

Intressant, en "omväxling" av vinkelmoment mellan elektronernas spin och orbitalrörelse kunde inte heller detekteras när man följde laserinducerad demagnetisering med en tidsupplösning på cirka 100 femtosekunder (10 ^-13 sekunder) - detta gäller lokalt vid alla Fe- och Gd -atomer. Så hur flödar vinkelmomentet? "Självklart, all vinkelmoment överförs helt till atomgitteret, "säger Hennecke." I linje med de senaste teoretiska förutsägelserna, spin-vinkelmomentet överförs först till orbitalrörelsen vid samma atom via spin-orbit-interaktionen, men vi kan inte se att det ackumuleras där eftersom det går direkt till atomgitteret. "Den senare processen har nyligen teoretiskt förutspåtts vara så snabb som en femtosekund, och de detaljerade experimenten bekräftar nu att detta sista överföringssteg verkligen inte är en flaskhals i det totala flödet av vinkelmoment.

Med tanke på att korta laserpulser också kan användas för att permanent byta magnetisering och därmed skriva bitar för magnetisk dataregistrering, insikten i dynamiken i dessa grundläggande mekanismer är av relevans för att utveckla nya metoder för att skriva data till massdatalagringsmedier mycket snabbare än möjligt idag.