Att kombinera experiment och teori, forskare från Max Born Institute for Nolinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) och Max Planck Institute of Microstructure Physics har redit ut hur laserpulser kan manipulera magnetisering via ultrasnabb överföring av elektroner mellan atomer.

Nanometertunna filmer av magnetiska material är idealiska testsubstrat för att studera grundläggande problem inom magnetism. Sådana tunna magnetiska filmer har viktiga tekniska tillämpningar, till exempel, de används i magnetiska massdatalagringsenheter som används i molndatalagringscenter. I dagens teknik, magnetiseringen i dessa tunna filmer manipuleras via magnetfält, men det är också möjligt att påverka magnetiseringen med hjälp av laserpulser. När de utsätts för ultrakorta ljuspulser på bara några tiotals femtosekund i varaktighet (1 femtosekund =1 miljondel av en miljarddels sekund), magnetiseringen under laserfläcken förändras. I enkla system, denna förändring motsvarar ofta en enkel minskning av magnetiseringsstorleken. I mer komplexa materialsystem, dock, ljuspulsen kan också permanent vända magnetiseringen. I sådana fall, forskare talar om helt optisk magnetiseringsväxling med uppenbara potentiella tillämpningar. Den anmärkningsvärda hastigheten för denna växlingsprocess är ännu inte förstått. Av denna anledning, forskargrupper runt om i världen undersöker de mikroskopiska processerna bakom femtomagnetism.

Forskare från Max Born Institute i Berlin och Max Planck Institute for Microstructure Physics i Halle, kombinerar experimentellt och teoretiskt arbete, har nu sett en ny mikroskopisk process, kallas optisk intersite spin transport (OISTR), som förutspåddes först nyligen. Processen kan inträffa när lämpliga atomer av olika typer finns intill varandra i ett fast ämne. Under lämpliga förhållanden, en ljuspuls utlöser en förskjutning av elektroner från en atom till sin granne. Viktigt, detta händer främst med elektroner med en viss spinnorientering, och påverkar därmed den lokala magnetiseringen. Denna process äger rum under optisk excitation och är inte beroende av sekundära mekanismer. Det är, därför, den snabbaste tänkbara processen som leder till en ljusinducerad förändring i magnetismen.

En atom i ett fast ämne som är magnetiserat kan avbildas ha separata reservoarer av spin-up och spin-down elektroner, som fylls i olika omfattning. För en kobolt (Co) och platina (Pt) atom som är grannar till varandra i en CoPt legering, detta skissas i figur 1. Skillnaden i antalet spin-up och spin-down elektroner (ritade i rött och blått) bestämmer mängden magnetisering av atomen. Om magnetiseringen minskar, antalet av de två snurrtyperna måste utjämnas. En välkänd process för att jämna ut båda reservoarerna vid en atom är en spin-flip, i vilken, till exempel, en spin-down-elektron förvandlas till en spin-up-elektron-representerad av ett hopp från den blå hinken till den röda hinken i figur 1. Dessa spin-flips förekommer övervägande vid tunga atomer som Pt, där spinnet reagerar särskilt känsligt på elektronens rörelse — fysiker talar om en stor spin-omloppskoppling. Vinkelmomentet som avges i denna spin-flip-process absorberas av hela uppsättningen av atomer i det fasta ämnet.

I föreliggande studie, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , forskarna undersökte två modellsystem, ett rent Co-skikt och en CoPt-legering. Teamet övervakade absorptionen av ultrakorta pulser av mjuka röntgenstrålar med kontrollerad våglängd och polarisation efter en laserpulsexcitation och jämförde sina experimentella resultat med teoretiska beräkningar som visas i figur 2. På detta sätt, förändringarna i antalet elektroner med spin-up och spin-down triggade av den initiala laserpulsen kunde studeras separat för Co- och Pt-atomerna.

Jämförelsen mellan det enkla systemet som uteslutande innehåller Co-atomer (vänster paneler i figur 2) och legeringen, som innehåller både Co- och Pt -atomer (högra paneler) visar uttalade skillnader i absorptionsbeteende, som förutsägs oberoende av de teoretiska beräkningarna. Dessa skillnader uppstår genom att i CoPt-legeringen kan en ytterligare process ske där elektroner överförs mellan de olika typerna av närliggande atomer.

På grund av laserpulsen, elektroner i det fasta ämnet överförs från Pt -atomerna till Co -atomerna. Det visar sig att dessa företrädesvis är spin-down elektroner, eftersom många tomma tillstånd för spin-down elektroner är tillgängliga på den mottagande Co-platsen. Vid Co-atomen, de överförda elektronerna, Således, öka nivån av spin-down elektroner (röd i figur 2), gör den mer lik spin-up-reservoaren och reducerar därmed det magnetiska momentet hos Co-atomen. Denna OISTR -process mellan Pt och Co åtföljs av en utjämning av elektronreservoarerna lokalt vid Pt -atomerna via spinnflips. Denna spin-flip sker effektivt vid de tunga Pt-atomerna som uppvisar stor spin-omloppskoppling och endast i mycket mindre utsträckning vid de lättare Co-atomerna.

De detaljerade resultaten av studien visar att förmågan att optiskt manipulera magnetisering via optisk spinntransport mellan platserna är avgörande beroende på de tillgängliga tillstånden för spin-up och spin-down elektroner hos de inblandade atomerna. Dessa tillstånd kan skräddarsys genom att sammanföra rätt typer av atomer i nya material. Förståelsen av de mikroskopiska mekanismerna som är involverade i den optiska manipulationen av magnetiseringen, Således, banar vägen för en rationell design av nya funktionella magnetiska material, möjliggör ultrasnabb kontroll av magnetisering via laserpulser.