磁鐵能以多快的速度改變方向？以及起作用的微觀機(jī)制是什么？BESSY II的一個HZB團(tuán)隊(duì)首次對超快磁的主要微觀過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估。為此目的開發(fā)的方法也可用于研究石墨烯、超導(dǎo)體或其他量子材料中自旋與晶格振蕩之間的相互作用。

電子與聲子之間的相互作用被認(rèn)為是超快磁化或退磁過程(自旋翻轉(zhuǎn))背后的微觀驅(qū)動力。然而，由于缺乏合適的方法，直到現(xiàn)在才有可能詳細(xì)地觀察到這樣的超快過程。

現(xiàn)在，由Alexander Fohlisch教授領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的方法，可以在鐵磁鎳和非磁性銅兩種模型系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)確定電子聲子驅(qū)動的自旋反轉(zhuǎn)散射率，使用BESSY II的x射線發(fā)射光譜(x -射線發(fā)射光譜)來做這件事。x射線激發(fā)樣品中的核心電子(鎳或銅)，形成所謂的核心空穴，這些空穴隨后被價電子的衰變所填滿。這種衰變導(dǎo)致光的發(fā)射，然后可以檢測和分析。樣品在不同溫度下測量，觀察晶格振動(聲子)從室溫上升到900攝氏度的影響。

隨著溫度升高，鐵磁鎳的排放量明顯下降。這一觀察結(jié)果與鎳激發(fā)后電子能帶結(jié)構(gòu)過程的理論模擬吻合得很好：通過提高溫度從而增加聲子總體，電子與聲子之間的散射率增加。散射電子不再能衰變，這就導(dǎo)致了光發(fā)射的減弱。正如所料，在抗磁銅的情況下，晶格振動對測量到的輻射幾乎沒有任何影響。Fohlisch團(tuán)隊(duì)的第一作者和博士后科學(xué)家Regis Decker博士說：我們相信研究不僅對磁性、固體電子特性和x射線發(fā)射光譜領(lǐng)域的專家很感興趣。

而且對對這一動態(tài)研究領(lǐng)域的最新發(fā)展感到好奇的更廣泛讀者也很感興趣。該方法還可用于分析石墨烯、超導(dǎo)體或拓?fù)浣^緣體等新型量子材料的超快自旋翻轉(zhuǎn)過程。雖然在測量超短激光脈沖后的退磁時間方面做了大量工作，但對其微觀機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究仍然很少。在過渡金屬鐵磁體中，電子和聲子散射驅(qū)動的導(dǎo)電電子自旋翻轉(zhuǎn)是其主要機(jī)理之一。

該研究提出了一種利用x射線發(fā)射光譜嚴(yán)格的原子對稱性選擇規(guī)則來監(jiān)測鎳中，電子聲子介導(dǎo)自旋反轉(zhuǎn)散射速率的實(shí)驗(yàn)方法。聲子群的增加導(dǎo)致三維→2p3/2衰減峰值強(qiáng)度減弱，這反映了自旋反轉(zhuǎn)引起角動量轉(zhuǎn)移散射率的增加。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下，鎳的三維帶自旋弛豫時間尺度為50 fs左右，而在相同方法下，抗磁反例銅的自旋弛豫時間，沒有出現(xiàn)這樣的峰值演化。

博科園｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會

參考期刊《科學(xué)報告》

DOI: 10.1038/s41598-019-45242-8

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