激光能驅動鐵磁體自旋？角動量又如何流動？

當暴露在強激光脈衝下時，材料的磁化能被非常快地控制。從根本上說，磁化與材料中電子的角動量有關。由Max Born非線性光學和短脈衝光譜學研究所(MBI)科學家領導的一個研究小組現在已經能夠非常詳細地跟蹤鐵磁體鐵釓合金在超快光退磁過程中的角動量流動，以便了解基本過程及其速度限制，研究結果發表在《物理評論快報》上。當鐵磁性物體的磁化強度發生變化時，它就開始旋轉——這種磁化強度和角動量之間的聯繫在1915年愛因斯坦和德哈斯的實驗中就觀察到了。

這種現象的發生是因為在微觀層面上，磁化本質上與電子的角動量有關。與當時的愛因斯坦和德哈斯不同，物理學家現在知道，電子圍繞原子核的軌道運動和自旋都會產生磁化。事實上，在鐵磁性固體中，自旋產生了大部分的磁化。當角動量守恆時，磁化強度的改變必然伴隨著系統中其他形式角動量的改變——在愛因斯坦-德哈斯實驗中，這是磁懸浮體磁化強度改變後的旋轉結果。在微觀層面上，原子的相應運動構成了角動量最終貯存器，超短激光脈衝照明是一種使材料快速退磁的方法

對於典型鐵磁體鐵、鈷和鎳，例如，在激光脈衝擊中材料後，磁化在約1皮秒(10-12秒)內熄滅。研究人員想知道，在很短的時間內，與磁化有關的角動量通過哪些通道傳遞到其他儲層。來自柏林MBI的科學家，以及來自柏林亥姆霍茲中央區和日本Nihon大學的科學家，能夠對鐵釓合金角動量流進行詳細的跟蹤研究。在這種鐵磁性材料中，相鄰鐵(Fe)和釓(Gd)原子具有相反方向的磁化。研究人員使用超短x射線脈衝來監測鐵原子和Gd原子對圓偏振x射線的吸收，並將其作為之前激光激發後時間的函數。這種方法的獨特之處在於，它允許在超快退磁過程中分別跟蹤兩種類型原子的磁矩。

Gd在開始時沒有角動量(L=0)，在激光脈衝在0時刻撞擊試樣後退磁過程中沒有積累。在鐵元素中，S和L以相同的速率下降，S和L之間沒有重新「洗牌」。圖片：MBI Berlin

此外，當分析各自的吸收光譜時，可以區分儲存在軌道運動中的角動量和電子自旋中的角動量。通過這個詳細的x射線圖像，科學家們發現合金中Gd原子的退磁過程明顯快於純Gd。然而，這並不是因為不同類型原子之間角動量的交換，儘管它們是反平行排列的。該研究的第一作者Martin Hennecke說：我們知道Gd的加速反應是由於合金內部電子之間產生的非常高的溫度造成。有趣的是，在激光誘導時間解析度約為100飛秒(10-13秒)的退磁過程中，電子自旋和軌道運動之間的角動量「重組」也沒有被探測到——這在所有Fe和Gd原子中都是真實的。

角動量是如何流動的呢？顯然，所有角動量都被完全轉移到原子晶格上，與最近的理論預測一致，自旋角動量首先通過自旋-軌道相互作用轉移到同一原子的軌道運動中，但我們無法看到它在那裡積累，因為它是直接向原子晶格移動的。理論預測後一個過程的速度可達飛秒，詳細的實驗現在證實，最後一個傳遞步驟確實不是角動量整體流動的瓶頸。考慮到短激光脈衝也可以用來永久地改變磁化強度，從而為磁數據記錄寫入比特，對這些基本機制動力學的深入了解，對於開發新的方法將數據寫入大規模數據存儲介質具有重要意義，這種方法的速度要比目前可能的速度快得多。

博科園-科學科普｜研究/來自: Forschungsverbund Berlin eV（FVB）

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.157202

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