Een van de belangrijkste taken in moderne informatietechnologieën is het controleren van spinrichtingen in magneten. State-of-the-art harde schijven en magnetische opslag voor grote volumes die in datacenters worden gebruikt, vereisen magnetisatie in vaste stoffen om hun richtingen in nanoseconden te veranderen, overeenkomend met GHz-frequentie, of zelfs hogere snelheden. Een steeds toenemende vraag naar schrijfsnelheid heeft onderzoekers ertoe aangezet om uitgebreid onderzoek te doen naar optische technieken met behulp van femtoseconde laserpulsen.

Wanneer zeer kort, intense laserpulsen in het nabij-infrarode golflengtebereik worden geabsorbeerd in magneten, vindt er een complexe energie-uitwisseling plaats tussen de elektronische, rooster, en spinsystemen, resulterend in de wijziging van magnetische anisotropie. Begrijpen hoe dergelijke interne energieoverdrachten tussen subsystemen na ultrasnelle foto-excitatie resulteren in de verandering van magnetische anisotropie, is cruciaal voor de implementatie van efficiënte en ultrasnelle magnetische opname, in de toekomst verder reiken dan picoseconden of zelfs femtoseconden.

In dit werk, onderzoekers van de Universiteit van Konstanz, De Universiteit van Tokio, en Osaka University hebben aangetoond dat de foto-excitatie van elektronische en roostervrijheidsgraden op femtoseconde tijdschalen resulteert in duidelijk verschillende temporele evoluties van de magnetische anisotropie in de prototypische zwakke ferromagneet Sm _0,7 eh _0.3 FeO ₃ .

Deze zeldzame-aarde-orthoferriet vertoont een zogenaamde spin-heroriëntatie-overgang (SRT) waarbij bij een kritische temperatuur een verandering van de spinrichting optreedt. Door het monster te bestralen met een intense, femtoseconde midden-infrarode laserpuls resonant afgestemd op een fononfrequentie en de ultrasnelle spindynamiek onderzoeken als gevolg van spinheroriëntatie, de SRT bleek met een vertraagd begin op te treden. Hier, de relatief langzame thermalisatie van het kristalrooster beperkt de spindynamiek. In tegenstelling tot, bij het opwekken van de 4f elektronische overgang van de zeldzame-aarde Sm ³⁺ ionen, het bleek dat de SRT-dynamiek onmiddellijk begon.

Dit resultaat geeft aan dat de magnetische anisotropie wordt gewijzigd door middel van een puur elektronische verandering zonder overmatige warmte af te geven aan het roostersysteem. De gegevens geven aan dat de snelheid van deze ultrasnelle anisotropie-modificatie een tijdschaal van tientallen femtoseconden bereikt - veel sneller dan de spindynamiek zelf. Dus, het 4f elektronische pompen kan ultrasnelle "triggering" van de magnetisatieomschakeling mogelijk maken in toekomstige spintronica-apparaten die werken onder picoseconde tijdschalen.

"De invloed van de ultrasnelle roosterverwarming na infrarood foto-excitatie is tot nu toe uitgebreid onderzocht. dit is de eerste keer dat de rollen van het rooster en elektronische overgangen op de ultrasnelle magnetische anisotropie duidelijk zijn onderscheiden op femtoseconde tijdschalen, ", zeggen auteurs.

Aangezien overgangsmetaalverbindingen die zeldzame aardelementen bevatten tot de meest gebruikte magneten in de moderne wereld behoren, het hier gedemonstreerde schema zal naar verwachting de weg vrijmaken voor een nieuwe niet-thermische route naar ultrasnelle controle van spindynamiek in een belangrijke klasse van materialen.