Wetenschappers hebben onthuld hoe roostertrillingen en spins met elkaar praten in een hybride excitatie die bekend staat als een elektromagnon. Om dit te bereiken gebruikten ze een unieke combinatie van experimenten met de röntgenvrije elektronenlaser SwissFEL. Het begrijpen van dit fundamentele proces op atomair niveau opent de deur naar ultrasnelle controle van magnetisme met licht.

Binnen het atoomrooster van een vaste stof werken deeltjes en hun verschillende eigenschappen samen in golfachtige bewegingen die bekend staan ​​als collectieve excitaties. Wanneer atomen in een rooster met elkaar schudden, staat de collectieve excitatie bekend als een fonon. Op dezelfde manier, wanneer de atomaire spins (de magnetisatie van de atomen) samen bewegen, staat dit bekend als een magnon.

De situatie wordt complexer. Sommige van deze collectieve excitaties praten met elkaar in zogenaamde hybride excitaties. Eén zo'n hybride excitatie is een elektromagnon. Elektromagnonen krijgen hun naam vanwege het vermogen om de atomaire spins te exciteren met behulp van het elektrische veld van licht, in tegenstelling tot conventionele magnonen:een opwindend vooruitzicht voor tal van technische toepassingen. Toch wordt hun geheime leven op atomair niveau niet goed begrepen.

Er wordt vermoed dat tijdens een elektromagnon de atomen in het rooster wiebelen en de spins wiebelen in een excitatie die in wezen een combinatie is van een fonon en een magnon. Maar sinds ze voor het eerst werden voorgesteld in 2006, is alleen de draaibeweging ooit gemeten. Hoe de atomen in het rooster bewegen – als ze überhaupt bewegen – is een mysterie gebleven. Begrijpt dus ook hoe de twee componenten met elkaar praten.

Nu hebben onderzoekers van PSI in een geavanceerde reeks experimenten met de Zwitserse röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL deze ontbrekende stukjes aan de puzzel toegevoegd. "Met een beter begrip van hoe deze hybride excitaties werken, kunnen we nu beginnen met het onderzoeken van mogelijkheden om magnetisme op een ultrasnelle tijdschaal te manipuleren", legt Urs Staub uit, hoofd van de Microscopie en Magnetisme Groep bij PSI, die het onderzoek leidde. P>

Eerst de atomen, dan de spins

In hun experimenten bij SwissFEL gebruikten de onderzoekers een terahertz-laserpuls om een ​​elektromagnon te induceren in een kristal van multiferroïsch hexaferriet. Met behulp van tijdsopgeloste röntgendiffractie-experimenten maakten ze vervolgens ultrasnelle momentopnamen van hoe de atomen en spins bewogen als reactie op de excitatie. Hiermee bewezen ze dat de atomen in het rooster echt bewegen in een elektromagnon en onthulden ze hoe energie wordt overgedragen tussen het rooster en de spin.

Een opvallende uitkomst van hun onderzoek was dat de atomen eerst bewegen en de spins een fractie later. Wanneer de terahertz-puls het kristal raakt, duwt het elektrische veld de atomen in beweging, waardoor het fononische deel van het elektromagnon wordt geïnitieerd. Deze beweging creëert een effectief magnetisch veld dat vervolgens de spins beweegt.

"Uit onze experimenten bleek dat de excitatie de spins niet rechtstreeks verplaatst. Het was voorheen onduidelijk of dit het geval zou zijn", legt Hiroki Ueda, bundellijnwetenschapper bij SwissFEL en de eerste auteur van de publicatie uit.

Verdergaand zou het team ook kunnen kwantificeren hoeveel energie de fonische component verkrijgt uit de terahertz-puls en hoeveel energie de magnonische component verkrijgt via het rooster. "Dit is een belangrijk stukje informatie voor toekomstige toepassingen waarin men het magnetische systeem wil aandrijven", voegt Ueda toe.

Eén vrije elektronenlaser, twee bundellijnen, twee kristalmodi

De sleutel tot hun ontdekking was het vermogen om zowel de atomaire bewegingen als de spins te meten in complementaire tijdsopgeloste röntgendiffractie-experimenten op de harde en zachte röntgenbundellijnen van SwissFEL.

Met behulp van harde röntgenfoto's op het experimentele station Bernina bestudeerde het team de beweging van atomen in het rooster. De recent ontwikkelde opstelling van het proefstation, inclusief speciaal ontworpen monsterkamers, maakt unieke ultrasnelle metingen mogelijk met behulp van terahertzvelden in vaste stoffen bij zeer lage temperaturen.

Om de beweging van de spins te bestuderen, gebruikte het team zachte röntgenstralen, die gevoeliger zijn voor veranderingen in magnetische systemen. Deze experimenten werden uitgevoerd op het Furka-experimentstation, dat onlangs in gebruik werd genomen. Door de röntgenenergie af te stemmen op een resonantie in het materiaal, konden ze zich specifiek richten op het signaal van de spins:informatie die meestal gemaskeerd is.

"Alleen al het meten van het fononische deel bij Bernina was een grote stap voorwaarts. Om ook toegang te krijgen tot de magnetische beweging met Furka is een experimentele mogelijkheid die bijna nergens anders ter wereld bestaat", aldus Staub.

Het fundamentele principe is belangrijk voor ons begrip van andere fysieke processen

Ueda, Staub en collega's hebben inzicht gegeven in de microscopische oorsprong van een elektromagnon. Dit begrip is niet alleen belangrijk voor dit fysieke proces, maar in algemenere zin.

De fundamentele interacties tussen rooster en spins liggen ten grondslag aan veel fysieke effecten die aanleiding geven tot ongebruikelijke – en potentieel zeer bruikbare – materiaaleigenschappen:bijvoorbeeld supergeleiding bij hoge temperaturen. Alleen met een beter begrip van dergelijke effecten komt controle.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Meer informatie: Hiroki Ueda et al, Niet-evenwichtsdynamiek van spin-roosterkoppeling, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43581-9

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut