Laserpulsen kunnen magnetisatie manipuleren via ultrasnelle overdracht van elektronen via een proces dat bekend staat als spin-transfer koppel (STT). Hier is een overzicht van hoe dit gebeurt:

1. Absorptie van laserpulsen:Wanneer een ultrakorte laserpuls, meestal in het bereik van femtoseconden tot picoseconden, een magnetisch materiaal raakt, wordt deze geabsorbeerd door de elektronen van het materiaal via verschillende mechanismen zoals foto-excitatie of multifotonabsorptie. Deze absorptie leidt tot een snelle stijging van de elektronentemperatuur.

2. Generatie van hete elektronen:De geabsorbeerde laserenergie exciteert een groot aantal elektronen in het materiaal, waardoor een niet-evenwichtstoestand ontstaat met een hoge concentratie hete elektronen. Deze hete elektronen hebben een voldoende hoge energie om de potentiële barrières aan de grensvlakken van het materiaal te overwinnen.

3. Spin-afhankelijke verstrooiing:Hete elektronen gegenereerd door de laserpuls kunnen spin-afhankelijke verstrooiing ondergaan met de magnetische momenten van de atomen van het materiaal. Concreet interageert de spin van de hete elektronen met de magnetische momenten van de gelokaliseerde d-elektronen van de magnetische atomen.

4. Overdracht van spin-hoekmomentum:Tijdens deze spin-afhankelijke verstrooiingsgebeurtenissen wordt het spin-hoekmomentum van de hete elektronen overgedragen naar de gelokaliseerde d-elektronen van de magnetische atomen. Deze overdracht van spin-impulsmoment oefent een koppel uit op de magnetische momenten van de atomen, waardoor ze rond hun gemakkelijke assen gaan precesseren.

5. Magnetisatiedynamiek:De overdracht van spin-impulsmoment van de hete elektronen naar de gelokaliseerde d-elektronen leidt tot de precessie van de magnetische momenten, wat aanleiding geeft tot ultrasnelle magnetisatiedynamiek. De richting en amplitude van deze precessie zijn afhankelijk van de polarisatie, intensiteit en duur van de laserpuls.

6. Magnetisch schakelen:als de laserpuls voldoende energie en duur heeft, kan de precessie van de magnetische momenten een kritische hoek bereiken, wat leidt tot de omkering van de magnetisatierichting. Dit staat algemeen bekend als volledig optische schakeling of lasergeïnduceerde magnetisatie-omkering.

7. Femtoseconde-tijdschalen:De karakteristieke tijdschalen voor STT-geïnduceerde magnetisatiedynamica liggen in de orde van femtoseconden tot picoseconden, waardoor het een ultrasnel proces is. Dit maakt de manipulatie van magnetisatie op uitzonderlijk korte tijdschalen mogelijk.

Over het geheel genomen kunnen laserpulsen het spin-hoekmomentum overbrengen naar de gelokaliseerde d-elektronen van magnetische materialen via spin-overdrachtskoppel, waardoor ultrasnelle manipulatie en omschakeling van magnetisatie mogelijk wordt. Dit opent mogelijkheden voor het onderzoeken van fundamentele aspecten van magnetisme, het ontwikkelen van snelle spintronische apparaten en het bevorderen van technologieën zoals magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM) en ultrasnelle spintronische logische circuits.