Los imanes han fascinado a los humanos durante varios miles de años y han permitido la era del almacenamiento de datos digitales. Ocurren en varios sabores. Los ferrimagnetos forman la clase más grande de imanes y consisten en dos tipos de átomos. Similar a una aguja de brújula, cada átomo exhibe unpequeño momento magnético, también llamado espín, que surge de la rotación de los electrones del átomo alrededor de sus propios ejes. En un ferrimagnet, los momentos magnéticos apuntan en direcciones opuestas para los dos tipos de átomos ver panel A. Por lo tanto, la magnetización totales la suma de todos los momentos magnéticos de tipo 1 M1, flechas azules y tipo 2 M2, flechas verdes.Debido a la dirección opuesta, la magnitud de la magnetización total es M1-M2.
Cuando se calienta un ferrimagnet aislante, el calor se deposita primero en la red atómica, lo que hace que los átomos se muevan aleatoriamente alrededor de sus posiciones frías. Finalmente, parte del calor también causa una rotación aleatoria precesión de los giros alrededor de su dirección fríaPor lo tanto, el orden magnético se pierde; la magnetización total M1-M2 disminuye y finalmente desaparece si la temperatura del ferrimagnet excede una temperatura crítica, la llamada temperatura de Curie. Aunque este proceso es de importancia fundamental, su dinámica no esbien entendido Incluso para el ferrimagnet itrio hierro granate YIG, uno de los ferrimagnets más intensamente investigados, se desconoce cuánto tiempo lleva hasta que la red atómica calentada y los espines magnéticos fríos alcanzan el equilibrio entre sí. Estimaciones previas de este tiempoescala difieren entre sí por un factor de hasta un millón.
Un equipo de científicos de Berlín Centro de Investigación Colaborativa / Transregio 227 Ultrafast Spin Dynamics, Instituto Fritz Haber e Instituto Max Born, Dresden Centro Helmholtz, Uppsala Suecia, San Petersburgo Rusia y Sendai Japón ahora han revelado los pasos elementales de este proceso. "Para calentar de manera instantánea y exclusiva la red atómica de una película YIG, utilizamos un tipo de estímulo muy específico y novedoso: ráfagas ultracortas de luz láser a frecuencias de terahercios.pulso láser visible, entonces podemos rastrear paso a paso la evolución de los giros magnéticos inicialmente fríos. Esencialmente, grabamos una película stop-motion de cómo evoluciona la magnetización ", dice Sebastian Maehrlein, quien realizó los experimentos. Su colega IlieRadu de resume: "Nuestras observaciones son sorprendentes. Descubrimos que el calentamiento repentino de la red atómica reduce el orden magnético del ferrimagnet en dos escalas de tiempo distintas: una escala increíblemente rápida de solo 1 ps y unaEscala 100,000 veces más lenta de 100 ns "
Estas dos escalas de tiempo pueden entenderse en analogía con el agua en una olla cerrada que se coloca en un horno caliente. El aire caliente del horno corresponde a la red atómica caliente mientras que los giros magnéticos corresponden al agua dentro de la olla verpanel A Una vez que la red atómica se calienta por la explosión del láser de terahercios, las oscilaciones aleatorias mejoradas de los átomos conducen a una transferencia del orden magnético del tipo de espín 1 al tipo de espín 2. Por lo tanto, ambos momentos magnéticos M1 flechas azules enpanel B y M2 flechas verdes se reducen exactamente en la misma cantidad flechas rojas. Este proceso evoluciona en la escala de tiempo rápida, y los giros atómicos se ven obligados a calentarse mientras que la magnetización total M1-M2 no cambia, solocomo agua en una olla cerrada que tiene que mantener su volumen.
Sabemos, sin embargo, que un ferrimagnet calentado no solo tiene como objetivo reducir M1 y M2, sino también su magnetización total M1-M2. Para hacerlo, parte del giro debe liberarse a la red atómica. Esta situación es nuevamente completamenteanálogo al agua caliente en una olla cerrada: la presión dentro de la olla aumenta pero se libera lentamente hacia el exterior a través de pequeñas fugas en la tapa ver panel C. Esta fuga de momento angular a la red atómica es exactamente lo que sucede en elferrimagnet a través de acoplamientos débiles entre giros y celosía.
"Ahora tenemos una imagen clara de cómo la red atómica caliente y los espines magnéticos fríos de un aislador ferrimagnético se equilibran entre sí", dice Ilie Radu. El equipo internacional de investigadores descubrió que la transferencia de energía se produce muy rápidamente y conduce a unaestado novedoso de la materia en la que los espines están calientes pero aún no han reducido su momento magnético total. Esta "sobrepresión de los espines" se libera a través de procesos mucho más lentos que permiten la fuga de momento angular a la red. "Nuestros resultados también son relevantes para aplicaciones enalmacenamiento de datos ", agrega Sebastian Maehrlein." La razón es simple. Siempre que queramos cambiar el valor de un bit entre 0 y 1 en un medio de almacenamiento magnético, el momento angular y la energía tienen que transferirse finalmente entre la red atómica y los espines ".
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Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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