Meer dan 100 jaar geleden, Albert Einstein en Wander Johannes de Haas ontdekten dat toen ze een magnetisch veld gebruikten om de magnetische toestand van een ijzeren staaf die aan een draad bungelt om te draaien, de balk begon te draaien.

Nu hebben experimenten in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy voor het eerst gezien wat er gebeurt als magnetische materialen worden gedemagnetiseerd met ultrasnelle snelheden van miljoensten van een miljardste van een seconde:de atomen op het oppervlak van het materiaal bewegen, net zoals de ijzeren staaf deed. Het werk, gedaan bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, werd gepubliceerd in Natuur eerder deze maand.

Christelijke Dornes, een wetenschapper aan de ETH Zürich in Zwitserland en een van de hoofdauteurs van het rapport, zegt dat dit experiment laat zien hoe ultrasnelle demagnetisatie hand in hand gaat met wat bekend staat als het Einstein-de Haas-effect, het oplossen van een al lang bestaand mysterie in het veld.

"Ik leerde over deze verschijnselen in mijn lessen, maar om echt uit de eerste hand te zien dat de overdracht van impulsmoment daadwerkelijk iets mechanisch laat bewegen, is echt cool, "zegt Dornes. "Zo kunnen werken op atomaire schaal en relatief direct zien wat er gebeurt, zou een totale droom zijn geweest voor de grote natuurkundigen van honderd jaar geleden."

Draaiende zee van skaters

Op atomaire schaal, een materiaal dankt zijn magnetisme aan zijn elektronen. In sterke magneten, het magnetisme komt van een kwantumeigenschap van elektronen die spin wordt genoemd. Hoewel bij elektronenspin geen letterlijke rotatie van het elektron betrokken is, het elektron werkt in sommige opzichten als een kleine draaiende bal van lading. Wanneer de meeste spins in dezelfde richting wijzen, als een zee van schaatsers die eenstemmig pirouettes maken, het materiaal wordt magnetisch.

Wanneer de magnetisatie van het materiaal wordt omgekeerd met een extern magnetisch veld, de gesynchroniseerde dans van de skaters verandert in een hectische razernij, met dansers die in alle richtingen draaien. Hun netto impulsmoment, wat een maat is voor hun rotatiebeweging, daalt tot nul als hun spins elkaar opheffen. Aangezien het impulsmoment van het materiaal behouden moet blijven, het wordt omgezet in mechanische rotatie, zoals het Einstein-de Haas-experiment aantoonde.

Draai en roep

1996, onderzoekers ontdekten dat het zappen van een magnetisch materiaal met een intense, supersnelle laserpuls demagnetiseert het bijna onmiddellijk, op een femtoseconde tijdschaal. Het was een uitdaging om te begrijpen wat er met impulsmoment gebeurt wanneer dit gebeurt.

In deze krant, de onderzoekers gebruikten een nieuwe techniek bij LCLS in combinatie met metingen gedaan bij ETH Zürich om deze twee fenomenen te koppelen. Ze toonden aan dat wanneer een laserpuls ultrasnelle demagnetisatie in een dunne ijzeren film initieert, de verandering in impulsmoment wordt snel omgezet in een initiële kick die leidt tot mechanische rotatie van de atomen op het oppervlak van het monster.

Volgens Dornes, een belangrijke conclusie van dit experiment is dat hoewel het effect alleen zichtbaar is aan de oppervlakte, het gebeurt in het hele monster. Als impulsmoment wordt overgedragen door het materiaal, de atomen in het grootste deel van het materiaal proberen te draaien maar heffen elkaar op. Het is alsof een menigte mensen die in een trein zijn gepakt, allemaal tegelijkertijd probeerden om te draaien. Net zoals alleen de mensen aan de rand de vrijheid zouden hebben om te bewegen, alleen de atomen aan het oppervlak van het materiaal kunnen roteren.

Het oppervlak schrapen

In hun experiment hebben de onderzoekers bestraalden de ijzerfilm met laserpulsen om ultrasnelle demagnetisatie te starten, begraasde het vervolgens met intense röntgenstralen onder een zo ondiepe hoek dat het bijna evenwijdig aan het oppervlak was. Ze gebruikten de patronen die werden gevormd toen de röntgenstralen van de film werden verstrooid om meer te weten te komen over waar het impulsmoment tijdens dit proces naartoe gaat.

"Vanwege de ondiepe hoek van de röntgenstralen, ons experiment was ongelooflijk gevoelig voor bewegingen langs het oppervlak van het materiaal, " zegt Sanghoon Song, een van de drie SLAC-wetenschappers die bij het onderzoek betrokken waren. "Dit was de sleutel tot het zien van de mechanische beweging."

Om deze resultaten op te volgen, de onderzoekers zullen bij LCLS verdere experimenten doen met meer gecompliceerde monsters om meer precies te weten te komen hoe snel en direct het impulsmoment in de structuur ontsnapt. Wat ze leren, zal leiden tot betere modellen van ultrasnelle demagnetisatie, die zouden kunnen helpen bij de ontwikkeling van optisch gestuurde apparaten voor gegevensopslag.

Steven Johnson, een wetenschapper en professor aan de ETH Zürich en het Paul Scherrer Institute in Zwitserland die de studie mede leidde, zegt dat de expertise van de groep op gebieden buiten het magnetisme hen in staat stelde het probleem vanuit een andere hoek te benaderen, beter positioneren voor succes.

"Er zijn talloze eerdere pogingen van andere groepen geweest om dit te begrijpen, maar ze faalden omdat ze hun experimenten niet optimaliseerden om naar deze kleine effecten te zoeken, Johnson zegt. "Ze werden overspoeld door andere, veel grotere effecten, zoals atomaire beweging als gevolg van laserwarmte. Ons experiment was veel gevoeliger voor het soort beweging dat het gevolg is van de overdracht van impulsmoment."