Hur snabbt kan en magnet ändra sin orientering, och vilka är de mikroskopiska mekanismerna som spelar? Ett HZB -team på BESSY II har, för första gången, experimentellt utvärderat den huvudsakliga mikroskopiska processen för ultrasnabb magnetism. Metoden som utvecklats för detta ändamål kan också användas för att undersöka interaktioner mellan snurr och gitteroscillationer i grafen, superledare eller andra kvantmaterial.

Interaktioner mellan elektroner och fononer betraktas som den mikroskopiska drivkraften bakom ultrasnabba magnetiserings- eller avmagnetiseringsprocesser (spinnflips). Dock, det var inte möjligt förrän nu att observera sådana ultrasnabba processer i detalj på grund av frånvaron av lämpliga metoder.

Nu, ett team som leds av prof. Alexander Föhlisch har utvecklat en originalmetod för att experimentellt bestämma den elektron-fonondrivna spin-flip-spridningshastigheten i två modellsystem:ferromagnetiskt nickel och icke-magnetiskt koppar. De använde röntgenemissionsspektroskopi (XES) vid BESSY II för att göra detta. Röntgenstrålar exciterade kärnelektroner i proverna (Ni eller Cu) för att skapa de så kallade kärnhålen, som sedan fylldes av förfallet av valenselektroner. Detta förfall resulterar i utsläpp av ljus, som sedan kan upptäckas och analyseras. Proven mättes vid olika temperaturer för att observera effekterna av gittervibrationer (fononer) som ökade från rumstemperatur till 900 grader Celsius.

När temperaturen ökade, ferromagnetiskt nickel visade en kraftig minskning av utsläppen. Denna observation passar bra med den teoretiska simuleringen av processer i den elektroniska bandstrukturen för nickel efter excitationer:Genom att öka temperaturen och därmed, fononpopulationen, spridningshastigheten mellan elektroner och fononer ökar. Spridna elektroner är inte längre tillgängliga för sönderfall, vilket resulterar i en minskning av ljusutsläppet. Som förväntat, när det gäller diamagnetiskt koppar, gittervibrationerna hade knappast något inflytande på de uppmätta utsläppen.

"Vi tror att vår artikel är av stort intresse, inte bara för specialister inom magnetism, elektroniska egenskaper för fasta ämnen och röntgenemissionsspektroskopi, men också till en bredare läsekrets nyfiken på den senaste utvecklingen inom detta dynamiska forskningsområde, "säger Dr Régis Decker, första författare och postdoktor i Föhlisch -teamet. Metoden kan också användas för analys av ultrasnabba centrifugeringsprocesser i nya kvantmaterial som grafen, superledare eller topologiska isolatorer.