在每一块磁性材料的深处，电子随着量子力学的无形旋律起舞。它们的自旋，类似于微小的原子顶部，决定了它们所处物质的磁性行为。这种微观芭蕾是磁现象的基石，JILA的一个研究小组——由JILA的研究员和科罗拉多大学博尔德分校的教授玛格丽特·默南和亨利·卡普泰恩领导——已经学会了以惊人的精度控制这些旋转，有可能重新定义电子和数据存储的未来。
在《科学进展》杂志上，JILA团队与来自瑞典、希腊和德国大学的合作者一起，探测了一种被称为Heusler化合物的特殊材料中的自旋动力学。Heusler化合物是一种表现得像单一磁性材料的金属混合物。
在这项研究中，研究人员使用了钴、锰和镓的化合物，它可以作为自旋向上排列的电子的导体，也可以作为自旋向下排列的电子的绝缘体。
使用一种称为极紫外高谐波产生(EUV HHG)的光作为探针，研究人员可以在用飞秒激光激发化合物后跟踪化合物内部自旋的重新定向，这使得样品改变了其磁性。准确解释自旋重新定向的关键是能够调整EUV HHG探针光的颜色。
“在过去，人们还没有做过HHG的颜色调整，”共同第一作者、JILA研究生sinsamad Ryan解释说。“通常，科学家们只测量了几种不同颜色的信号，每个磁元素最多可能有一到两种颜色。”在具有里程碑意义的第一次中，JILA团队调整了他们的EUV HHG光探测器，穿过化合物中每个元素的磁共振，以精确到飞秒(千万亿分之一秒)的精度跟踪自旋变化。
“最重要的是，我们还改变了激光激发的能量，所以我们改变了我们用来操纵自旋的能量，”瑞安解释说，并强调这一步也是这种研究的实验第一步。
除了他们的新方法，研究人员还与乌普萨拉大学的理论家和共同第一作者穆罕默德·埃尔哈诺蒂合作，他访问了JILA，将自旋变化的理论模型与实验数据进行了比较。他们的结果显示数据和理论之间有很强的一致性。瑞安补充说:“我们觉得我们已经建立了一个新的标准，理论和实验之间的一致性。”
为了深入研究他们的Heusler化合物的自旋动力学，研究人员带来了一个创新的工具:极紫外高谐波探针。为了制造探针，研究人员将800纳米的激光聚焦到一个充满氖气的管中，在那里激光的电场将电子从它们的原子中拉开，然后将它们推回来。
当电子弹回时，它们就像橡皮筋被拉伸后释放一样，产生比激光更高频率(和能量)的紫色光爆发。Ryan调整了这些爆发，使其与样品中钴和锰的能量产生共鸣，测量了材料中元素特定的自旋动力学和磁性行为，团队可以进一步操纵。
从他们的实验中，研究人员发现，通过调整激发激光的功率和HHG探针的颜色(或光子能量)，他们可以确定在化合物的不同时间，哪种自旋效应占主导地位。他们将测量结果与一个复杂的计算模型进行了比较，该模型被称为时间相关密度泛函理论(TD-DFT)。该模型预测了材料中的电子云在暴露于各种输入时如何时刻演变。
利用TD-DFT框架，Elhanoty发现模型和实验数据之间的一致性，因为在Heusler化合物中有三种相互竞争的自旋效应。
“他在理论中发现，自旋翻转在早期时间尺度上占据主导地位，然后自旋转移变得更加主导，”瑞安解释说。“然后，随着时间的推移，更多的去磁化效应起作用，样品去磁化。”
自旋翻转现象发生在样品中的一个元素中，因为自旋将其方向从上向下移动，反之亦然。相反，自旋转移发生在多个元素中，在这种情况下，钴和锰，当它们在彼此之间转移自旋时，导致每种材料随着时间的推移或多或少地变得磁性。
了解哪些效应在哪些能级和时间起主导作用，使研究人员能够更好地理解如何操纵自旋，从而赋予材料更强大的磁性和电子特性。
“这是自旋电子学的概念，它利用我们目前拥有的电子技术，而不是仅仅利用电子的电荷，我们还利用了电子的自旋，”瑞安解释说。“所以，自旋电子学也有磁性成分。使用自旋而不是电子电荷的原因是，它可以制造出阻力更小、热加热更少的设备，使设备更快、更高效。”
通过与Elhanoty和其他合作者的合作，JILA团队对Heusler化合物的自旋动力学有了更深入的了解。
Ryan说:“看到理论和实验如此一致，这是非常值得的，因为它来自于这种非常密切和富有成效的合作。”
JILA的研究人员希望继续这种合作，研究其他化合物，以更好地了解如何利用光来操纵自旋模式。
更多信息:Sinead Ryan等人，在100秒以下的时间尺度上光学控制Heusler半金属自旋翻转和场间自旋转移之间的竞争，Science Advances(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.adi1428。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi1428
科罗拉多大学博尔德分校提供
引用本文:用高谐波探测器解开自旋的秘密(2023,11月10日)，2023年11月10日检索自https://phys.org/news/2023-11-secrets-high-harmonic-probes.html
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