Forskare har avslöjat hur gittervibrationer och spinn pratar med varandra i en hybridexcitation känd som en elektromagnon. För att uppnå detta använde de en unik kombination av experiment vid röntgenfri elektronlaser SwissFEL. Att förstå denna grundläggande process på atomnivå öppnar dörren till ultrasnabb kontroll av magnetism med ljus.
Inom ett fast ämnes atomnät samverkar partiklar och deras olika egenskaper i vågliknande rörelser som kallas kollektiva excitationer. När atomer i ett gitter vibrerar tillsammans kallas den kollektiva excitationen en fonon. På samma sätt, när atomen snurrar – magnetiseringen av atomerna – rör sig tillsammans, kallas det en magnon.
Situationen blir mer komplex. En del av dessa kollektiva excitationer pratar med varandra i så kallade hybridexitationer. En sådan hybridexcitation är en elektromagnon. Elektromagnoner har fått sitt namn på grund av förmågan att excitera atomsnurrarna med hjälp av det elektriska ljusfältet, i motsats till konventionella magnoner:ett spännande perspektiv för många tekniska tillämpningar. Ändå är deras hemliga liv på atomnivå inte väl förstådd.
Det har misstänkts att under en elektromagnon vickar atomerna i gittret och snurrarna vacklar i en excitation som i huvudsak är en kombination av en fonon och en magnon. Ändå sedan de först föreslogs 2006, har bara spinnrörelsen någonsin mätts. Hur atomerna i gittret rör sig – om de rör sig alls – har förblivit ett mysterium. Så förstår också hur de två komponenterna pratar med varandra.
Nu, i en sofistikerad serie experiment med den schweiziska röntgenfrielektronlasern SwissFEL, har forskare vid PSI lagt till dessa saknade bitar i sticksågen. "Med en bättre förståelse för hur dessa hybridexcitationer fungerar kan vi nu börja undersöka möjligheter att manipulera magnetism på en ultrasnabb tidsskala", förklarar Urs Staub, chef för Microscopy and Magnetism Group vid PSI, som ledde studien.
I sina experiment vid SwissFEL använde forskarna en terahertz-laserpuls för att inducera en elektromagnon i en kristall av multiferroisk hexaferrit. Med hjälp av tidsupplösta röntgendiffraktionsexperiment tog de sedan ultrasnabba ögonblicksbilder av hur atomerna och spinnen rörde sig som svar på excitationen. Med detta bevisade de att atomerna i gittret verkligen rör sig i en elektromagnon och avslöjade hur energi överförs mellan gitter och spinn.
Ett slående resultat av deras studie var att atomerna rör sig först, med snurrarna som rör sig bråkdelar senare. När terahertz-pulsen träffar kristallen, driver det elektriska fältet atomerna i rörelse, vilket initierar den fononiska delen av elektromagnonen. Denna rörelse skapar ett effektivt magnetfält som sedan flyttar snurrarna.
"Våra experiment avslöjade att exciteringen inte flyttar snurren direkt. Det var tidigare oklart om så skulle vara fallet", förklarar Hiroki Ueda, strållinjeforskare vid SwissFEL och den första författaren till publikationen.
Om man går längre, kan teamet också kvantifiera hur mycket energi den fononiska komponenten får från terahertzpulsen och hur mycket energi den magnoniska komponenten får genom gittret. "Detta är en viktig del av information för framtida tillämpningar där man försöker driva det magnetiska systemet," tillägger Ueda.
Nyckeln till deras upptäckt var förmågan att mäta både atomrörelserna och snurrorna i komplementära tidsupplösta röntgendiffraktionsexperiment vid SwissFELs hårda och mjuka röntgenstrålar.
Med hjälp av hårda röntgenstrålar vid Berninas experimentstation studerade teamet atomernas rörelse i gittret. Den nyligen utvecklade uppsättningen av experimentstationen, inklusive specialdesignade provkammare, möjliggör unika ultrasnabba mätningar med hjälp av terahertzfält i fasta ämnen vid mycket låga temperaturer.
För att studera snurrarnas rörelse använde teamet mjuka röntgenstrålar, som är mer känsliga för förändringar i magnetiska system. Dessa experiment utfördes på Furka försöksstation, som nyligen togs i bruk för användaren. Genom att ställa in röntgenenergin till en resonans i materialet kunde de fokusera specifikt på signalen från snurrarna – information som vanligtvis är maskerad.
"Enbart mätningen av den fononiska delen vid Bernina var ett stort steg framåt. Att även kunna komma åt den magnetiska rörelsen med Furka är en experimentell möjlighet som nästan inte finns någon annanstans i världen", kommenterar Staub.
Ueda, Staub och kollegor har gett en förståelse för det mikroskopiska ursprunget för en elektromagnon. Denna förståelse är viktig inte bara för denna fysiska process utan i en mer allmän mening.
De grundläggande interaktionerna mellan gitter och spinn underbygger många fysiska effekter som ger upphov till ovanliga - och potentiellt mycket användbara - materialegenskaper:till exempel supraledning vid hög temperatur. Endast med en bättre förståelse för sådana effekter kommer kontroll.
Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Mer information: Hiroki Ueda et al, Non-equilibrium dynamics of spin-lattice coupling, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43581-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
