En av de viktigaste uppgifterna inom modern informationsteknik är att kontrollera spinnriktningar i magneter. Toppmoderna hårddiskar och storvolymmagnetisk lagring som används i datacenter kräver magnetisering i fasta ämnen för att byta riktning på nanosekunder, motsvarande GHz-frekvens, eller ännu högre hastigheter. En ständigt ökande efterfrågan på skrivhastighet har drivit forskare mot omfattande forskning inom optiska tekniker med femtosekundlaserpulser.

När mycket kort, intensiva laserpulser i det nära-infraröda våglängdsområdet absorberas i magneter, ett komplext energiutbyte sker mellan den elektroniska, gitter, och spinnsystem, vilket resulterar i modifiering av magnetisk anisotropi. Att förstå hur sådana interna energiöverföringar mellan delsystem efter ultrasnabb fotoexcitation resulterar i förändringen av magnetisk anisotropi är avgörande för implementeringen av effektiv och ultrasnabb magnetisk inspelning, nå längre än pikosekunder eller till och med femtosekunder i framtiden.

I det här arbetet, forskare från universitetet i Konstanz, Tokyos universitet, och Osaka University har visat att fotoexciteringen av elektroniska och gitter frihetsgrader på femtosekund tidsskalor resulterar i distinkt olika tidsmässiga utvecklingar av den magnetiska anisotropin i den prototypiska svaga ferromagneten Sm _0,7 Er _0,3 FeO ₃ .

Denna orthoferrit av sällsynta jordartsmetaller uppvisar en så kallad spin reorientation transition (SRT) där en förändring av spinnriktningen sker vid en kritisk temperatur. Genom att bestråla provet med en intensiv, femtosekund mellaninfraröd laserpuls som är resonant avstämd till en fononfrekvens och undersöker den ultrasnabba spinndynamiken på grund av snurrorientering, SRT visade sig inträffa med en fördröjd debut. Här, den relativt långsamma termaliseringen av kristallgittret begränsar spindynamiken. I kontrast, när spännande den 4f elektroniska övergången av den sällsynta jordartsmetallen Sm ³⁺ joner, det visade sig att SRT-dynamiken startade omedelbart.

Detta resultat indikerar att den magnetiska anisotropin förändras med hjälp av en rent elektronisk förändring utan att avge överdriven värme in i gittersystemet. Data indikerar att hastigheten för denna ultrasnabba anisotropimodifiering når en tidsskala på tiotals femtosekunder - mycket snabbare än själva spindynamiken. Således, den elektroniska 4f-pumpningen kan möjliggöra ultrasnabb "triggning" av magnetiseringsomkopplaren i framtida spintronics-enheter som fungerar under pikosekunders tidsskalor.

"Inverkan av den ultrasnabba gitteruppvärmningen efter infraröd fotoexcitation har undersökts i stor omfattning hittills. detta är första gången som rollerna för gittret och elektroniska övergångar på den ultrasnabba magnetiska anisotropin tydligt har särskiljts på femtosekundsskalor, " säger författarna.

Eftersom övergångsmetallföreningar som innehåller sällsynta jordartsmetaller är bland de mest använda magneterna i den moderna världen, schemat som visas här förväntas bana väg för en ny icke-termisk väg till ultrasnabb kontroll av spindynamik i en viktig materialklass.