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激光能驅(qū)動(dòng)鐵磁體自旋？角動(dòng)量又如何流動(dòng)？

2019-07-05 14:39 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

當(dāng)暴露在強(qiáng)激光脈沖下時(shí)，材料的磁化能被非常快地控制。從根本上說(shuō)，磁化與材料中電子的角動(dòng)量有關(guān)。由Max Born非線性光學(xué)和短脈沖光譜學(xué)研究所(MBI)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組現(xiàn)在已經(jīng)能夠非常詳細(xì)地跟蹤鐵磁體鐵釓合金在超快光退磁過(guò)程中的角動(dòng)量流動(dòng)，以便了解基本過(guò)程及其速度限制，研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

當(dāng)鐵磁性物體的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，它就開(kāi)始旋轉(zhuǎn)——這種磁化強(qiáng)度和角動(dòng)量之間的聯(lián)系在1915年愛(ài)因斯坦和德哈斯的實(shí)驗(yàn)中就觀察到了。

這種現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)樵谖⒂^層面上，磁化本質(zhì)上與電子的角動(dòng)量有關(guān)。與當(dāng)時(shí)的愛(ài)因斯坦和德哈斯不同，物理學(xué)家現(xiàn)在知道，電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋都會(huì)產(chǎn)生磁化。事實(shí)上，在鐵磁性固體中，自旋產(chǎn)生了大部分的磁化。當(dāng)角動(dòng)量守恒時(shí)，磁化強(qiáng)度的改變必然伴隨著系統(tǒng)中其他形式角動(dòng)量的改變——在愛(ài)因斯坦-德哈斯實(shí)驗(yàn)中，這是磁懸浮體磁化強(qiáng)度改變后的旋轉(zhuǎn)結(jié)果。在微觀層面上，原子的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了角動(dòng)量最終貯存器，超短激光脈沖照明是一種使材料快速退磁的方法

對(duì)于典型鐵磁體鐵、鈷和鎳，例如，在激光脈沖擊中材料后，磁化在約1皮秒(10-12秒)內(nèi)熄滅。研究人員想知道，在很短的時(shí)間內(nèi)，與磁化有關(guān)的角動(dòng)量通過(guò)哪些通道傳遞到其他儲(chǔ)層。來(lái)自柏林MBI的科學(xué)家，以及來(lái)自柏林亥姆霍茲中央?yún)^(qū)和日本Nihon大學(xué)的科學(xué)家，能夠?qū)﹁F釓合金角動(dòng)量流進(jìn)行詳細(xì)的跟蹤研究。在這種鐵磁性材料中，相鄰鐵(Fe)和釓(Gd)原子具有相反方向的磁化。研究人員使用超短x射線脈沖來(lái)監(jiān)測(cè)鐵原子和Gd原子對(duì)圓偏振x射線的吸收，并將其作為之前激光激發(fā)后時(shí)間的函數(shù)。這種方法的獨(dú)特之處在于，它允許在超快退磁過(guò)程中分別跟蹤兩種類型原子的磁矩。

Gd在開(kāi)始時(shí)沒(méi)有角動(dòng)量(L=0)，在激光脈沖在0時(shí)刻撞擊試樣后退磁過(guò)程中沒(méi)有積累。在鐵元素中，S和L以相同的速率下降，S和L之間沒(méi)有重新“洗牌”。圖片：MBI Berlin

此外，當(dāng)分析各自的吸收光譜時(shí)，可以區(qū)分儲(chǔ)存在軌道運(yùn)動(dòng)中的角動(dòng)量和電子自旋中的角動(dòng)量。通過(guò)這個(gè)詳細(xì)的x射線圖像，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)合金中Gd原子的退磁過(guò)程明顯快于純Gd。然而，這并不是因?yàn)椴煌愋驮又g角動(dòng)量的交換，盡管它們是反平行排列的。該研究的第一作者M(jìn)artin Hennecke說(shuō)：我們知道Gd的加速反應(yīng)是由于合金內(nèi)部電子之間產(chǎn)生的非常高的溫度造成。有趣的是，在激光誘導(dǎo)時(shí)間分辨率約為100飛秒(10-13秒)的退磁過(guò)程中，電子自旋和軌道運(yùn)動(dòng)之間的角動(dòng)量“重組”也沒(méi)有被探測(cè)到——這在所有Fe和Gd原子中都是真實(shí)的。

角動(dòng)量是如何流動(dòng)的呢？顯然，所有角動(dòng)量都被完全轉(zhuǎn)移到原子晶格上，與最近的理論預(yù)測(cè)一致，自旋角動(dòng)量首先通過(guò)自旋-軌道相互作用轉(zhuǎn)移到同一原子的軌道運(yùn)動(dòng)中，但我們無(wú)法看到它在那里積累，因?yàn)樗侵苯酉蛟泳Ц褚苿?dòng)的。理論預(yù)測(cè)后一個(gè)過(guò)程的速度可達(dá)飛秒，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在證實(shí)，最后一個(gè)傳遞步驟確實(shí)不是角動(dòng)量整體流動(dòng)的瓶頸?？紤]到短激光脈沖也可以用來(lái)永久地改變磁化強(qiáng)度，從而為磁數(shù)據(jù)記錄寫(xiě)入比特，對(duì)這些基本機(jī)制動(dòng)力學(xué)的深入了解，對(duì)于開(kāi)發(fā)新的方法將數(shù)據(jù)寫(xiě)入大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)具有重要意義，這種方法的速度要比目前可能的速度快得多。