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超短激光脉冲探秘超快退磁,让信息处理更高效

来源:江苏激光产业创新联盟2021-10-19我要评论(0)

亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)对退磁原理进行了微观研究,新突破或将使数据存储、信息处理更加高效。新材料本应使信息处理更加有效,例如通过超快自旋电子器件,...

亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)对退磁原理进行了微观研究,新突破或将使数据存储、信息处理更加高效。

新材料本应使信息处理更加有效,例如通过超快自旋电子器件,用更少的能量输入存储数据。但是到目前为止,还存在一个巨大的挑战亟待超越——那就是超快退磁的微观机制还没有完全弄清楚。

通常,研究退磁过程是通过向样品发送超短激光脉冲,从而加热样品,然后分析系统在前几皮秒( picoseconds)内是如何演化的。

晶格快照

实验过程中保持样品恒温的发光灯丝。来源:HZB

该研究的主要作者Régis Decker博士解释道:“我们的方法与传统方式有极大不同。在光谱采集过程中,我们将样品保持在一定的温度。在特定的不同温度下进行观察。在用镍和铁镍做的实验中,从-120℃到450℃不等,甚至高达1000℃。这使我们能够量化每个温度下声子对超快退磁的影响,其中晶格、电子和自旋子系统的温度随时间演变。

XES光谱获得的(a) 镍(b) 铜 角动量转移率。(c)是从(a)中的拟合速率推导出的动量转移寿命。

镍的温度相关XES图

换句话说,通过将系统置于某个温度,我们在超短激光脉冲之后的给定时间捕获晶格的特定状况和环境,并在那里进行精准测量。”

钆检查

元素钆(Gadolinium)有4f和5d电子轨道,这两个轨道都有助于它的磁性。温度越高,晶体样品振动得越多。正如物理学家所说——当声子数量逐渐增加,由于电子与晶格声子的散射,自旋翻转就越有可能发生。

4f衰变特征的温度依赖性。(a)在室温下获得的Gd N5边缘能量区的RIXS图。143.5 eV(白色竖线)激发能对应于(c)中所示的光谱。(b)在总电子产额模式下测量的对应RIXS能量区的吸收光谱。(c)在激发能获得的RIXS频谱。(d)6P、6D和6G多重峰的面积与温度的函数关系。

区分散射率

利用非弹性X射线散射(RIXS)的方法,物理学家不仅能够确定给定温度下声子的数量,而且能够区分声子与4f电子和5d电子之间的相互作用。使用严格的X射线光谱对称性选择规则,该评估成功地区分了4f和5d电子的散射率。

5d电子与声子相互作用

数据表明,局部4f电子与声子之间几乎没有任何散射,但大部分散射过程发生在5d电子与声子之间,因此自旋翻转也只发生在那里。

Decker补充道:“我们的方法证明,众所周知的超快退磁的主要触发因素之一——电子-声子散射只适用于5d电子。有趣的是,它还显示了温度阈值的存在,该阈值取决于材料。低于该阈值,该机制不会发生。这表明在较低温度下存在另一种微观机制”。

来源:Spin-lattice angular momentum transfer of localized and valence electrons in the demagnetization transient state of gadolinium,Applied Physics Letters,


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