Глубоко внутри каждого кусочка магнитного материала электроны танцуют под невидимую мелодию квантовой механики. Их спины, подобные крошечным атомным волчкам, определяют магнитное поведение материала, в котором они обитают. Этот микроскопический балет является краеугольным камнем магнитных явлений, и именно этими вращениями группа исследователей JILA, возглавляемая стипендиатами JILA и профессорами Университета Колорадо в Боулдере Маргарет Мурнейн и Генри Каптейном, научилась управлять с поразительной точностью, потенциально переопределяя будущее магнитных явлений. электроника и хранение данных.

В Достижения науки В публикации команда JILA вместе с сотрудниками из университетов Швеции, Греции и Германии исследовала динамику вращения в специальном материале, известном как соединение Гейслера: смеси металлов, которая ведет себя как единый магнитный материал.

Для этого исследования исследователи использовали соединение кобальта, марганца и галлия, которое вело себя как проводник для электронов, спины которых были направлены вверх, и как изолятор для электронов, спины которых были направлены вниз.

Используя в качестве зонда форму света, называемую генерацией высоких гармоник крайнего ультрафиолета (EUV HHG), исследователи смогли отслеживать переориентацию спинов внутри соединения после возбуждения его фемтосекундным лазером, что заставило образец изменить свои магнитные свойства. характеристики. Ключом к точной интерпретации спиновых переориентаций была возможность настраивать цвет зондового света EUV HHG.

«Раньше люди не занимались такой цветовой настройкой HHG», — объяснила соавтор и аспирантка JILA Шинеад Райан. «Обычно ученые измеряли сигнал только нескольких разных цветов, максимум один или два на каждый магнитный элемент». Впервые команда JILA настроила свой световой зонд EUV HHG на магнитные резонансы каждого элемента внутри соединения, чтобы отслеживать изменения спина с точностью до фемтосекунд (квадриллионная доля секунды).

«Кроме того, мы также изменили плотность энергии лазерного возбуждения, поэтому мы изменили мощность, которую мы использовали для управления спинами», — уточнил Райан, подчеркнув, что этот шаг также был первым экспериментальным шагом для такого типа исследований.

Помимо своего нового подхода, исследователи сотрудничали с теоретиком и соавтором Мохамедом Эльханоти из Уппсальского университета, который посетил JILA, чтобы сравнить теоретические модели изменений спина с их экспериментальными данными. Их результаты показали сильное соответствие между данными и теорией. «Мы чувствовали, что установили новый стандарт, согласовав теорию и эксперимент», — добавил Райан.

Точная настройка энергии света

Чтобы погрузиться в динамику вращения своего соединения Гейслера, исследователи предложили инновационный инструмент: зонды с высокими гармониками в крайнем ультрафиолете. Чтобы создать зонды, исследователи сфокусировали лазерный свет с длиной волны 800 нанометров в трубку, наполненную неоновым газом, где электрическое поле лазера оттягивало электроны от их атомов, а затем отталкивало их обратно.

Когда электроны возвращались обратно, они действовали как резиновые ленты, выпущенные после растяжения, создавая фиолетовые вспышки света с более высокой частотой (и энергией), чем лазер, который их выгнал. Райан настроил эти всплески так, чтобы они резонировали с энергиями кобальта и марганца в образце, измеряя спиновую динамику и магнитное поведение конкретных элементов в материале, которым команда могла в дальнейшем манипулировать.

Конкурс спин-эффектов

В ходе своего эксперимента исследователи обнаружили, что, настраивая мощность возбуждающего лазера и цвет (или энергию фотонов) зонда ГГВГ, они могут определить, какие спиновые эффекты были доминирующими в разное время в их соединении. Они сравнили свои измерения со сложной вычислительной моделью, называемой теорией функционала плотности, зависящей от времени (TD-DFT). Эта модель предсказывает, как облако электронов в материале будет развиваться от момента к моменту под воздействием различных воздействий.

Используя структуру TD-DFT, Эльханоти обнаружил согласие между моделью и экспериментальными данными из-за трех конкурирующих спиновых эффектов в соединении Гейслера.

«То, что он обнаружил в теории, заключалось в том, что перевороты спинов были довольно доминирующими на ранних временных масштабах, а затем переносы спинов стали более доминирующими», — объяснил Райан. «Затем, с течением времени, эффекты размагничивания начинают проявляться, и образец размагничивается».

Явление переворота спина происходит внутри одного элемента образца, когда спины меняют свою ориентацию сверху вниз и наоборот. Напротив, перенос спина происходит внутри нескольких элементов, в данном случае, кобальта и марганца, поскольку они передают спины друг другу, в результате чего каждый материал с течением времени становится более или менее магнитным.

Понимание того, какие эффекты были доминирующими на каких энергетических уровнях и в какое время, позволило исследователям лучше понять, как можно манипулировать спинами, чтобы придать материалам более мощные магнитные и электронные свойства.

«Существует концепция спинтроники, которая использует имеющуюся у нас электронику и вместо того, чтобы использовать только заряд электрона, мы также используем его спин», — пояснил Райан. «Итак, спинтроника также имеет магнитный компонент. Причина использования вращения вместо электронного заряда заключается в том, что это может создать устройства с меньшим сопротивлением и меньшим тепловым нагревом, что сделает устройства более быстрыми и эффективными».

Благодаря работе с Эльханоти и другими сотрудниками команда JILA получила более глубокое понимание динамики вращения в соединениях Гейслера.

Райан сказал: «Было действительно приятно видеть такое хорошее согласие с теорией и экспериментом, особенно в результате этого действительно тесного и продуктивного сотрудничества».

Исследователи JILA надеются продолжить это сотрудничество в изучении других соединений, чтобы лучше понять, как свет можно использовать для управления структурами вращения.