Experiment en theorie combineren, onderzoekers van het Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) en het Max Planck Institute of Microstructure Physics hebben ontward hoe laserpulsen magnetisatie kunnen manipuleren via ultrasnelle overdracht van elektronen tussen atomen.

Nanometerdunne films van magnetische materialen zijn ideale testsubstraten om fundamentele problemen in magnetisme te bestuderen. Dergelijke dunne magnetische films hebben belangrijke technologische toepassingen, bijvoorbeeld, ze worden gebruikt in magnetische massa-gegevensopslagapparaten die worden gebruikt in cloudgegevensopslagcentra. In de huidige technologie, de magnetisatie in deze dunne films wordt gemanipuleerd via magnetische velden, maar het is ook mogelijk om de magnetisatie te beïnvloeden met behulp van laserpulsen. Bij blootstelling aan ultrakorte lichtpulsen van slechts enkele tientallen femtoseconden (1 femtoseconde =1 miljoenste van een miljardste van een seconde), de magnetisatie onder de laservlek verandert. In eenvoudige systemen, deze verandering komt vaak overeen met een eenvoudige afname van de magnetisatiegrootte. In meer complexe materiële systemen, echter, de lichtpuls kan de magnetisatie ook permanent omkeren. In dergelijke gevallen, wetenschappers spreken van volledig optische magnetisatieschakeling met voor de hand liggende potentiële toepassingen. De opmerkelijke snelheid van dit schakelproces wordt nog niet begrepen. Om deze reden, onderzoeksgroepen over de hele wereld onderzoeken de microscopische processen die ten grondslag liggen aan femtomagnetisme.

Onderzoekers van het Max Born Institute in Berlijn en het Max Planck Institute for Microstructure Physics in Halle, experimenteel en theoretisch werk combineren, nu getuige zijn geweest van een nieuw microscopisch proces, genaamd optisch intersite spintransport (OISTR), dat werd pas onlangs voorspeld. Het proces kan optreden wanneer geschikte atomen van verschillende typen naast elkaar liggen in een vaste stof. Onder geschikte omstandigheden, een lichtpuls veroorzaakt een verplaatsing van elektronen van het ene atoom naar zijn buur. belangrijk, dit gebeurt voornamelijk bij elektronen met een bepaalde spinoriëntatie, en beïnvloedt zo de lokale magnetisatie. Dit proces vindt plaats tijdens optische excitatie en is niet afhankelijk van secundaire mechanismen. Het is, daarom, het snelst denkbare proces dat leidt tot een door licht veroorzaakte verandering in magnetisme.

Een atoom in een vaste stof die gemagnetiseerd is, kan worden afgebeeld met afzonderlijke reservoirs van spin-up en spin-down elektronen, die in een andere mate gevuld zijn. Voor een kobalt (Co) en platina (Pt) atoom die buren van elkaar zijn in een CoPt-legering, dit is geschetst in figuur 1. Het verschil in het aantal spin-up en spin-down elektronen (in rood en blauw getekend) bepaalt de mate van magnetisatie van het atoom. Als de magnetisatie wordt verminderd, het aantal van de twee soorten spin moet gelijk worden. Een bekend proces om beide reservoirs op één atoom te nivelleren is een spin-flip, waarin, bijvoorbeeld, een spin-down-elektron verandert in een spin-up-elektron - weergegeven door een sprong van de blauwe emmer naar de rode emmer in figuur 1. Deze spin-flips komen voornamelijk voor bij zware atomen zoals Pt, waar de spin bijzonder gevoelig reageert op de beweging van het elektron - natuurkundigen spreken van een grote spin-baankoppeling. Het impulsmoment dat in dit spin-flip-proces wordt uitgezonden, wordt geabsorbeerd door de hele reeks atomen in de vaste stof.

In de huidige studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de onderzoekers onderzochten twee modelsystemen, een zuivere Co-laag en een CoPt-legering. Het team volgde de absorptie van ultrakorte pulsen van zachte röntgenstralen met gecontroleerde golflengte en polarisatie na een laserpulsexcitatie en vergeleek hun experimentele bevindingen met theoretische berekeningen zoals weergegeven in figuur 2. Op deze manier, de veranderingen in het aantal elektronen met spin-up en spin-down veroorzaakt door de initiële laserpuls zouden afzonderlijk kunnen worden bestudeerd voor de Co- en Pt-atomen.

De vergelijking tussen het eenvoudige systeem dat uitsluitend Co-atomen bevat (linker panelen in figuur 2) en de legering, met zowel Co- als Pt-atomen (rechter panelen) vertoont uitgesproken verschillen in het absorptiegedrag, die onafhankelijk worden voorspeld door de theoretische berekeningen. Deze verschillen ontstaan ​​doordat in de CoPt-legering een extra proces kan plaatsvinden waarbij elektronen worden overgedragen tussen de verschillende typen naburige atomen.

Door de laserpuls elektronen in de vaste stof worden overgedragen van de Pt-atomen naar de Co-atomen. Het blijkt dat dit bij voorkeur spin-down elektronen zijn, omdat veel lege toestanden voor spin-down-elektronen beschikbaar zijn op de ontvangende Co-site. Bij het Co-atoom, de overgedragen elektronen, dus, het niveau van de spin-down elektronen verhogen (rood in figuur 2), waardoor het meer lijkt op het spin-up reservoir en dus het magnetische moment van het Co-atoom vermindert. Dit OISTR-proces tussen Pt en Co gaat gepaard met een nivellering van de elektronenreservoirs lokaal bij de Pt-atomen via spin-flips. Deze spin-flip gebeurt efficiënt bij de zware Pt-atomen die een grote spin-baankoppeling vertonen en slechts in veel mindere mate bij de lichtere Co-atomen.

De gedetailleerde resultaten van de studie laten zien dat het vermogen om magnetisatie optisch te manipuleren via optisch intersite spintransport cruciaal afhangt van de beschikbare toestanden voor spin-up en spin-down elektronen van de betrokken atomen. Deze toestanden kunnen worden aangepast door de juiste soorten atomen samen te brengen in nieuwe materialen. Het begrip van de microscopische mechanismen die betrokken zijn bij de optische manipulatie van de magnetisatie, dus, effent de weg naar een rationeel ontwerp van nieuwe functionele magnetische materialen, waardoor ultrasnelle controle van magnetisatie via laserpulsen mogelijk is.