100多年前阿爾伯特·愛因斯坦和約翰尼斯·德哈斯發(fā)現(xiàn)，當他們用磁場翻轉一根懸掛在一根線上的鐵棒的磁場狀態(tài)時，鐵棒開始旋轉?，F(xiàn)在，美國能源部(Department of Energy) SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)的實驗首次看到，當磁性材料以百萬分之一秒的超快速度退磁時會發(fā)生什么：材料表面的原子會像鐵棒那樣移動。這項研究工作是在SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射線激光器上完成的，并于本月早些時候發(fā)表在《自然》上。瑞士蘇黎世ETH的科學家克里斯蒂安·多恩斯(Christian Dornes)是該報告的主要作者之一。多恩斯說：我在課堂上學過這些現(xiàn)象，但親眼看到角動量的轉移確實會讓物體機械地移動，這真的很酷。

能夠像這樣在原子尺度上工作，并相對直接地看到發(fā)生了什么，是一百年前偉大物理學家的夢想。在原子尺度上，一種材料的磁性取決于它的電子。在強磁體中，磁性來自電子一種叫做自旋的量子特性。雖然電子自旋不涉及電子的實際旋轉，但電子在某些方面的行為就像一個微小的旋轉帶電球。當大部分自旋指向相同的方向時，就像一群溜冰者齊聲自旋一樣，這種物質(zhì)就具有磁性。當材料磁化被外部磁場逆轉時，溜冰者的同步舞蹈變成了狂熱，舞蹈者向各個方向旋轉。它們的凈角動量，這是它們旋轉運動的度量，當它們的旋轉相互抵消時，角動量降為零。由于材料的角動量必須守恒，它就會轉化為機械旋轉，正如愛因斯坦-德哈斯實驗所證明的那樣。

1996年研究人員發(fā)現(xiàn)，在飛秒級的時間范圍內(nèi)，用一種強度高、超快的激光脈沖轟擊一種磁性材料，幾乎能在瞬間使其退磁。理解角動量的變化是一個挑戰(zhàn)。在這篇論文中，研究人員利用LCLS的一項新技術，結合蘇黎世聯(lián)邦理工學院的測量結果，將這兩種現(xiàn)象聯(lián)系起來。他們證明，當激光脈沖在薄鐵膜中引發(fā)超快退磁時，角動量的變化會迅速轉化為初始的踢動，從而導致樣品表面原子的機械旋轉。這個實驗的一個重要結論是，盡管這種效應只在表面上顯現(xiàn)，但它會在整個樣本中發(fā)生。當角動量通過材料傳遞時，大部分材料中的原子試圖扭曲，但相互抵消。這就像一群人擠在一列火車上，試圖在同一時間轉彎。就像只有邊緣的人才有移動的自由一樣，只有材料表面的原子才能旋轉。

在實驗中，研究人員用激光脈沖轟擊鐵膜以啟動超快的退磁，然后用強烈的x射線以一個幾乎與表面平行的角度擦過鐵膜。利用x射線在薄膜上散射時形成的圖案來了解角動量在這一過程中的去向。參與這項研究的三名SLAC科學家之一宋桑戈(Sanghoon Song)說：由于x射線的角度較淺，實驗對材料表面的運動非常敏感，這是觀察機械運動的關鍵。為了進一步研究這些結果，研究人員將在LCLS上用更復雜的樣本做進一步實驗，以更精確地找出角動量進入結構的速度和直接程度。他們所了解到將導致更好的超快去磁模型，這可能有助于開發(fā)用于數(shù)據(jù)存儲的光控設備。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)和瑞士保羅?謝勒研究所(Paul Scherrer Institute)的科學家、教授史蒂文?約翰遜(Steven Johnson)是這項研究的負責人之一，他表示，該研究小組在磁性以外領域的專長，使他們能夠從不同的角度來解決這個問題，更好地為他們的成功定位。約翰遜說：其他研究小組此前曾多次嘗試了解這一點，但都以失敗告終，因為他們沒有優(yōu)化實驗以尋找這些微小的影響，被其他更大的效應所淹沒，比如激光熱引起的原子運動，我們的實驗對角動量傳遞產(chǎn)生的運動更加敏感。

博科園-科學科普｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室

Ali Sundermier,?SLAC National Accelerator Laboratory

參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-018-0822-7

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