|
Шаг к сверхбыстрому управлению магнетизмом
|
|
|
|
Ученые выяснили, как колебания и спины решетки взаимодействуют друг с другом в гибридном возбуждении, известном как электромагнон. Для этого они использовали уникальную комбинацию экспериментов на рентгеновском лазере на свободных электронах SwissFEL. Понимание этого фундаментального процесса на атомном уровне открывает дверь к сверхбыстрому управлению магнетизмом с помощью света. Внутри атомной решетки твердого тела частицы и их различные свойства взаимодействуют в волновых движениях, известных как коллективные возбуждения. Когда атомы в решетке колеблются вместе, коллективное возбуждение известно как фонон. Точно так же, когда атомные спины — намагниченность атомов — движутся вместе, это называется магноном. Ситуация становится более сложной. Некоторые из этих коллективных возбуждений взаимодействуют друг с другом в так называемых гибридных возбуждениях. Одним из таких гибридных возбуждений является электромагнон. Электромагноны получили свое название из-за способности возбуждать спины атомов с помощью электрического поля света, в отличие от обычных магнонов: это захватывающая перспектива для многочисленных технических применений. Однако их тайная жизнь на атомном уровне до конца не изучена.
|
|
|
|
Было подозрение, что во время действия электромагнона атомы в решетке покачиваются, а спины колеблются под воздействием возбуждения, которое, по сути, представляет собой комбинацию фонона и магнона. Однако с тех пор, как они были впервые предложены в 2006 году, измерялось только вращательное движение. Как движутся атомы внутри решетки – если они вообще движутся – осталось загадкой. Также он понимает, как два компонента общаются друг с другом. Теперь, в ходе сложной серии экспериментов на швейцарском рентгеновском лазере на свободных электронах SwissFEL, исследователи из PSI добавили эти недостающие части в мозаику. «Получив лучшее понимание того, как работают эти гибридные возбуждения, мы теперь можем начать изучать возможности манипулирования магнетизмом в сверхбыстрых временных масштабах», — объясняет Урс Стауб, руководитель группы микроскопии и магнетизма в PSI, который руководил исследованием. В своих экспериментах в SwissFEL исследователи использовали терагерцовый лазерный импульс, чтобы индуцировать электромагнон в кристалле мультиферроик-гексаферрита. Используя эксперименты по дифракции рентгеновских лучей с временным разрешением, они затем сделали сверхбыстрые снимки того, как атомы и спины движутся в ответ на возбуждение. Тем самым они доказали, что атомы внутри решетки действительно движутся по принципу электромагнона, и выявили, как энергия передается между решеткой и спином.
|
|
|
Поразительным результатом их исследования стало то, что атомы движутся первыми, а спины движутся немного позже. Когда терагерцовый импульс попадает на кристалл, электрическое поле приводит атомы в движение, инициируя фононную часть электромагнона. Это движение создает эффективное магнитное поле, которое впоследствии перемещает спины. «Наши эксперименты показали, что возбуждение не приводит к прямому перемещению спинов. Раньше было неясно, так ли это», — объясняет Хироки Уэда, специалист по лучевым линиям из SwissFEL и первый автор публикации. Идя дальше, команда могла бы также количественно определить, сколько энергии фононный компонент получает от терагерцового импульса и сколько энергии магнонный компонент получает через решетку. «Это важная информация для будущих приложений, в которых предстоит управлять магнитной системой», — добавляет Уэда. Ключом к их открытию стала способность измерять как движение атомов, так и спины в дополнительных экспериментах по дифракции рентгеновских лучей с временным разрешением на линиях жесткого и мягкого рентгеновского излучения SwissFEL. Используя жесткое рентгеновское излучение на экспериментальной станции Бернина, команда изучила движение атомов внутри решетки. Недавно разработанная экспериментальная станция, включающая специально разработанные камеры для образцов, позволяет проводить уникальные сверхбыстрые измерения с использованием терагерцовых полей в твердых телах при очень низких температурах.
|
|
|
|
Для изучения движения спинов команда использовала мягкое рентгеновское излучение, которое более чувствительно к изменениям в магнитных системах. Эти эксперименты проводились на экспериментальной станции «Фурка», недавно вошедшей в пользовательскую эксплуатацию. Настроив энергию рентгеновских лучей на резонанс в материале, они могли бы сосредоточиться именно на сигнале спинов — информации, которая обычно замаскирована. «Измерение только фононной части в Бернине было большим шагом вперед. Возможность получить доступ к магнитному движению с помощью Фурки — это экспериментальная возможность, которая не существует больше нигде в мире», — комментирует Стауб. Уэда, Стауб и коллеги предоставили понимание микроскопического происхождения электромагнона. Это понимание важно не только для этого физического процесса, но и в более общем смысле. Фундаментальные взаимодействия между решеткой и спинами лежат в основе многих физических эффектов, которые приводят к необычным — и потенциально очень полезным — свойствам материала: например, высокотемпературной сверхпроводимости. Только с лучшим пониманием таких эффектов приходит контроль.
|
|
|
|
Источник
|
