Cuando se expone a pulsos intensos de láser, la magnetización de un material puede manipularse muy rápido. Fundamentalmente, la magnetización está conectada al momento angular de los electrones en el material. Un equipo de investigadores dirigido por científicos del Instituto Max Born para No LinealLa espectroscopía óptica y de pulso corto MBI ahora ha podido seguir el flujo del momento angular durante la desmagnetización óptica ultrarrápida en una aleación ferrimagnética de hierro-gadolinio con gran detalle, para comprender los procesos fundamentales y sus límites de velocidad. Los resultados fueron publicadosen Cartas de revisión física .
Cuando se cambia la magnetización de un cuerpo ferromagnético, quiere comenzar a girar; esta conexión entre la magnetización y el momento angular ya se observó en un experimento de Einstein y de Haas en 1915. La razón de este fenómeno es lahecho que a nivel microscópico, la magnetización está intrínsecamente ligada al momento angular de los electrones. A diferencia de Einstein y de Haas en ese momento, los físicos ahora saben que tanto el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo atómico como su giro, quees una propiedad mecánica puramente cuántica que en cierta medida se puede imaginar como la rotación del electrón alrededor de su propio eje: generar la magnetización. De hecho, en un sólido ferromagnético, el espín genera la mayor parte de la magnetización. Cuando el momento angular esconservado, por lo tanto, un cambio en la magnetización debe ir acompañado de un cambio de otras formas de momento angular en el sistema; en el Experimento Einstein-de Haas, este fue el resultado eng rotación de un imán suspendido después de que se haya cambiado su magnetización.A nivel microscópico, es el movimiento correspondiente de los átomos lo que constituye el depósito final del momento angular.
La iluminación con un pulso láser ultracorto es un medio para desmagnetizar un material muy rápido; para los ferromagnetos prototípicos hierro, cobalto y níquel, por ejemplo, la magnetización se extingue en aproximadamente un picosegundo 10 a la potencia de -12 sdespués de que el pulso láser golpeó el material, esto llevó a la pregunta, a través de qué canales el momento angular asociado con la magnetización se transfiere a otros depósitos durante el corto tiempo disponible. Investigadores de MBI en Berlín junto con científicos de Helmholtz Zentrum Berlin yLa Universidad de Nihon, Japón, ahora ha podido seguir este flujo de momento angular en detalle para una aleación de hierro y gadolinio. En este material ferrimagnético, los átomos adyacentes de hierro Fe y gadolinio Gd tienen magnetización en dirección opuesta. Los investigadores hanusó pulsos de rayos X ultracortos para controlar la absorción de rayos X polarizados circularmente por los átomos de Fe y Gd en función del tiempo después de la excitación láser previa.El enfoque es único ya que permite rastrear el momento magnético durante la desmagnetización ultrarrápida en ambos tipos de átomos individualmente.Aún más, es posible distinguir el momento angular almacenado en el movimiento orbital frente al giro de los electrones cuando se analizan los espectros de absorción respectivos.
Con esta detallada "visión de rayos X", los científicos descubrieron que el proceso de desmagnetización en los átomos de Gd en la aleación es significativamente más rápido que en el Gd puro. Sin embargo, esto no se debe a un intercambio de momento angular entre los diferentestipos de átomos, como se podría sospechar en función de su alineación antiparalela. "Entendemos la respuesta acelerada de Gd como consecuencia de las temperaturas muy altas generadas entre los electrones dentro de la aleación", dice Martin Hennecke, el primer autor del estudio.Curiosamente, una "reorganización" del momento angular entre el giro y el movimiento orbital de los electrones tampoco se pudo detectar al seguir la desmagnetización inducida por láser con una resolución temporal de aproximadamente 100 femtosegundos 10 a la potencia de -13 s -- esto es cierto localmente en todos los átomos de Fe y Gd. Entonces, ¿cómo fluye el momento angular? "Obviamente, todo el momento angular se transfiere completamente a la red atómica", dice Hennecke.Según las predicciones icas, el momento angular del espín se transfiere primero al movimiento orbital en el mismo átomo a través de la interacción espín-órbita, pero no podemos ver cómo se acumula allí, ya que se está moviendo directamente a la red atómica ". Este último proceso ha sido recientementeteóricamente se predice que será tan rápido como 1 femtosegundo, y los experimentos detallados ahora confirman que este último paso de transferencia no es realmente un cuello de botella en el flujo general del momento angular.
Dado que los pulsos láser cortos también se pueden usar para cambiar permanentemente la magnetización y, por lo tanto, escribir bits para el registro de datos magnéticos, la comprensión de la dinámica de estos mecanismos fundamentales es relevante para desarrollar nuevos enfoques para escribir datos en medios de almacenamiento de datos masivos mucho más rápidode lo posible hoy.
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Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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