激光脉冲如何通过超快的电子转移来控制磁化

时间:2020-02-19 17:51 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

激光脉冲如何通过超快的电子转移来控制磁化

将实验和理论相结合,来自马克斯·伯恩非线性光学和短脉冲光谱研究所(MBI)和马克斯·普朗克微观结构物理研究所的研究人员已经解开了激光脉冲如何通过原子间电子的超快转移来操纵磁化的奥秘。

磁性材料的纳米薄膜是研究磁性基本问题的理想测试衬底。这类薄膜具有重要的技术应用,例如用于云数据存储中心的磁性海量数据存储设备。在目前的技术中,这些薄膜的磁化是通过磁场来控制的,但也可以通过激光脉冲来影响磁化。当暴露在只有几十飞秒的超短光脉冲中(1飞秒=十亿分之一秒的百万分之一),激光光斑下方的磁化强度会发生变化。在简单的系统中,这种变化通常对应于磁化强度的简单降低。然而,在更复杂的材料系统中,光脉冲也可以永久地逆转磁化。在这种情况下,科学家们认为全光磁化开关具有明显的应用潜力。这种转换过程的惊人速度尚不为人所知。因此,世界各地的研究小组都在研究女性磁学背后的微观过程。

柏林的马克斯·伯恩研究所和哈雷的马克斯·普朗克微结构物理研究所的研究人员将实验和理论工作结合起来,现在已经发现了一种新的微观过程,称为光学场间自旋输运(OISTR),这是最近才被预测到的。当不同类型的合适原子在固体中相邻时,这一过程就会发生。在适当的条件下,光脉冲会引起电子从一个原子向邻近原子的位移。重要的是,这主要发生在具有特定自旋方向的电子上,从而影响了局部磁化。这一过程发生在光激发过程中,不依赖于二次机制。因此,这是可以想象到的导致光引起磁性变化的最快过程。

在被磁化的固体中,原子可以被描绘成具有不同程度的自旋向上和自旋向下电子的独立存储体。在CoPt合金中,钴(Co)和铂(Pt)原子相邻,如图1所示。自旋向上和自旋向下的电子数的差异(用红色和蓝色表示)决定了原子的磁化强度。如果磁化强度降低,两种自旋类型的数目必须相等。在一个原子上夷平两个热源的一个众所周知的过程是自旋翻转,例如,自旋向下的电子变成自旋向上的电子——图1中从蓝色的桶跳到红色的桶表示。这些自旋翻转主要发生在像Pt这样的重原子上,在那里自旋反应对电子物理学家所说的大型自旋轨道耦合特别敏感。自旋翻转过程中产生的角动量被固体中整个原子阵列吸收。

激光脉冲如何通过超快的电子转移来控制磁化

在这项发表在《自然通讯》杂志上的研究中,研究人员研究了两种模型系统,一种是纯Co层,另一种是CoPt合金。在激光脉冲激发后,研究小组监测了波长和偏振可控的软x射线超短脉冲的吸收,并将实验结果与理论计算结果进行了比较,如图2所示。用这种方法,可以分别研究Co原子和Pt原子在初始激光脉冲激发下自旋向上和自旋向下的电子数的变化。

将只含有Co原子的简单体系(图2中左边的图)与同时含有Co和Pt原子的合金(图2中右边的图)进行比较,可以发现吸收行为有明显的不同,这是由理论计算独立预测出来的。这些不同之处在于,在CoPt合金中,电子可以在不同类型的相邻原子之间转移。

由于激光脉冲的作用,固体中的电子从铂原子转移到钴原子。原来这些是优先自旋向下的电子,因为许多自旋向下电子的空态可以在接收Co位点上得到。因此,在Co原子上,转移的电子增加了自旋向下的电子的能级(图2中的红色),使它更类似于自旋向上的储层,从而降低了Co原子的磁矩。铂和钴之间的OISTR过程伴随着通过自旋翻转使铂原子上局部的电子存储层水平化。这种自旋翻转有效地发生在重的Pt原子上,这些重的Pt原子表现出较大的自旋-轨道耦合,而轻的Co原子的自旋-轨道耦合程度要低得多。

研究的详细结果表明,通过光学位间自旋输运来光学操纵磁化的能力,关键取决于原子中自旋向上和自旋向下电子的可用状态。这些状态可以通过在新材料中把正确类型的原子结合在一起来调整。对磁化的光学操作所涉及的微观机制的理解,从而为新型功能磁性材料的合理设计铺平了道路,允许通过激光脉冲实现对磁化的超快控制。

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