Hoe snel kan een magneet van richting veranderen, en wat zijn de microscopische mechanismen die in het spel zijn? Een HZB-team bij BESSY II heeft, Voor de eerste keer, experimenteel het belangrijkste microscopische proces van ultrasnel magnetisme beoordeeld. De hiervoor ontwikkelde methodologie kan ook worden gebruikt om interacties tussen spins en roosteroscillaties in grafeen te onderzoeken, supergeleiders of andere kwantummaterialen.

Interacties tussen elektronen en fononen worden beschouwd als de microscopische drijvende kracht achter ultrasnelle magnetisatie- of demagnetisatieprocessen (spin flips). Echter, het was tot nu toe niet mogelijk om dergelijke ultrasnelle processen in detail te observeren vanwege het ontbreken van geschikte methoden.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van prof. Alexander Föhlisch heeft een originele methode ontwikkeld om experimenteel de door elektronen-fonon aangedreven spin-flip-verstrooiingssnelheid te bepalen in twee modelsystemen:ferromagnetisch nikkel en niet-magnetisch koper. Ze gebruikten hiervoor röntgenemissiespectroscopie (XES) bij BESSY II. Röntgenstralen prikkelden kernelektronen in de monsters (Ni of Cu) om de zogenaamde kerngaten te creëren, die vervolgens werden opgevuld door het verval van valentie-elektronen. Dit verval resulteert in de emissie van licht, die vervolgens kunnen worden gedetecteerd en geanalyseerd. De monsters werden gemeten bij verschillende temperaturen om de effecten van roostertrillingen (fononen) te observeren die toenamen van kamertemperatuur tot 900 graden Celsius.

Naarmate de temperatuur toenam, ferromagnetisch nikkel vertoonde een sterke daling van de emissies. Deze waarneming past goed bij de theoretische simulatie van processen in de elektronische bandstructuur van nikkel na excitaties:door de temperatuur te verhogen en dus de fononpopulatie, de snelheid van verstrooiing tussen elektronen en fononen neemt toe. Verstrooide elektronen zijn niet langer beschikbaar voor verval, wat resulteert in een afname van de lichtemissie. Zoals verwacht, in het geval van diamagnetisch koper, de roostertrillingen hadden nauwelijks invloed op de gemeten emissies.

"Wij zijn van mening dat ons artikel niet alleen van groot belang is voor specialisten op het gebied van magnetisme, elektronische eigenschappen van vaste stoffen en röntgenemissiespectroscopie, maar ook voor een breder publiek dat nieuwsgierig is naar de laatste ontwikkelingen in dit dynamische onderzoeksveld, " zegt Dr. Régis Decker, eerste auteur en postdoctoraal wetenschapper in het Föhlisch-team. De methode kan ook worden gebruikt voor de analyse van ultrasnelle spin-flip-processen in nieuwe kwantummaterialen zoals grafeen, supergeleiders of topologische isolatoren.