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超短激光脈沖探秘超快退磁,讓信息處理更高效

來源:江蘇激光產業創新聯盟2021-10-19 我要評論(0 )   

亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心(HZB)對退磁原理進行了微觀研究,新突破或將使數據存儲、信息處理更加高效。新材料本應使信息處理更加有效,例如通過超快自旋電子器件,...

亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心(HZB)對退磁原理進行了微觀研究,新突破或將使數據存儲、信息處理更加高效。

新材料本應使信息處理更加有效,例如通過超快自旋電子器件,用更少的能量輸入存儲數據。但是到目前為止,還存在一個巨大的挑戰亟待超越——那就是超快退磁的微觀機制還沒有完全弄清楚。

通常,研究退磁過程是通過向樣品發送超短激光脈沖,從而加熱樣品,然后分析系統在前幾皮秒( picoseconds)內是如何演化的。

晶格快照

實驗過程中保持樣品恒溫的發光燈絲。來源:HZB

該研究的主要作者Régis Decker博士解釋道:“我們的方法與傳統方式有極大不同。在光譜采集過程中,我們將樣品保持在一定的溫度。在特定的不同溫度下進行觀察。在用鎳和鐵鎳做的實驗中,從-120℃到450℃不等,甚至高達1000℃。這使我們能夠量化每個溫度下聲子對超快退磁的影響,其中晶格、電子和自旋子系統的溫度隨時間演變。

XES光譜獲得的(a) 鎳(b) 銅 角動量轉移率。(c)是從(a)中的擬合速率推導出的動量轉移壽命。

鎳的溫度相關XES圖

換句話說,通過將系統置于某個溫度,我們在超短激光脈沖之后的給定時間捕獲晶格的特定狀況和環境,并在那里進行精準測量。”

釓檢查

元素釓(Gadolinium)有4f和5d電子軌道,這兩個軌道都有助于它的磁性。溫度越高,晶體樣品振動得越多。正如物理學家所說——當聲子數量逐漸增加,由于電子與晶格聲子的散射,自旋翻轉就越有可能發生。

4f衰變特征的溫度依賴性。(a)在室溫下獲得的Gd N5邊緣能量區的RIXS圖。143.5 eV(白色豎線)激發能對應于(c)中所示的光譜。(b)在總電子產額模式下測量的對應RIXS能量區的吸收光譜。(c)在激發能獲得的RIXS頻譜。(d)6P、6D和6G多重峰的面積與溫度的函數關系。

區分散射率

利用非彈性X射線散射(RIXS)的方法,物理學家不僅能夠確定給定溫度下聲子的數量,而且能夠區分聲子與4f電子和5d電子之間的相互作用。使用嚴格的X射線光譜對稱性選擇規則,該評估成功地區分了4f和5d電子的散射率。

5d電子與聲子相互作用

數據表明,局部4f電子與聲子之間幾乎沒有任何散射,但大部分散射過程發生在5d電子與聲子之間,因此自旋翻轉也只發生在那里。

Decker補充道:“我們的方法證明,眾所周知的超快退磁的主要觸發因素之一——電子-聲子散射只適用于5d電子。有趣的是,它還顯示了溫度閾值的存在,該閾值取決于材料。低于該閾值,該機制不會發生。這表明在較低溫度下存在另一種微觀機制”。

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


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超短激光脈沖探秘超快退磁
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