В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер де Хаас сообщили, что изменение намагниченности подвешенного железного стержня путем приложения внешнего магнитного поля приводит к механическому вращению стержня. Это интригующее наблюдение до сих пор служит хрестоматийным примером связи между магнетизмом и угловым моментом.
Однако новые вопросы относительно этой связи возникли, когда около 20 лет назад было обнаружено явление, известное как «сверхбыстрая демагетизация». Там намагниченность теряется на шкале времени в пикосекунды и ниже, и вопрос о том, «куда девается угловой момент», стал предметом интенсивных дискуссий.
В статье Reporting in Nature группа физиков из ETH Zurich, Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) теперь решает этот самый вопрос.
Они демонстрируют, что в пленке ферромагнитного железа большая часть углового момента передается решетке, слегка скручивая образец по мере того, как его намагниченность быстро уменьшается. Демонстрация того, что в этом сценарии задействован «сверхбыстрый эффект Эйнштейна-де Гааза», исключает другие объяснения и должна служить руководством для исследования того, как сверхбыстрое размагничивание может быть использовано в технологических целях.
Магниты вращаются
В ферромагнитных материалах магнитные моменты мириад электронов выравниваются, создавая характерно сильную намагниченность.
Электроны служат элементарными магнитами, но в то же время они действуют также как «миниатюрные гироскопы» из-за их собственного углового момента (или спина). Как следствие, при изменении макроскопической намагниченности ферромагнитного материала неизбежно изменяется и соответствующий угловой момент. Таким образом, сохранение углового момента требует компенсации этого изменения. Для ферромагнитных материалов угловой момент, связанный с выровненными электронными спинами, достаточно велик, чтобы его можно было преобразовать в механическое вращение, когда угловой момент передается решетке, как продемонстрировали Эйнштейн и де Хаас (за десять лет до того, как была введена основная концепция спина. ).
Отследить судьбу углового момента сложнее в случае сверхбыстрого размагничивания, в частности, из-за чрезвычайно коротких временных рамок – за последние два десятилетия для нескольких металлических ферромагнетиков было показано, что воздействие интенсивных лазерных импульсов может вызвать падение намагниченности менее чем за 100 фемтосекунд. Это открывает перспективу создания быстрых устройств с оптическим управлением, но продвижение в этой области затруднено из-за неполного понимания микроскопических механизмов, ответственных за это явление.
Команда вокруг Стивена Джонсона, профессора Института квантовой электроники ETH Zurich и руководителя группы в Институте Пола Шеррера, теперь показывает, как угловой момент, который теряется спиновой системой при уменьшении магнитного порядка, поглощается решеткой во время такого короткий период времени.
Отслеживание сверхбыстрых изменений
Чтобы иметь доступ к задействованным коротким временным рамкам, команда использовала линейный источник когерентного света (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC для проведения фемтосекундных экспериментов по дифракции рентгеновских лучей с временным разрешением. Их эксперимент был спроектирован таким образом, чтобы они могли чувствительно обнаруживать деформации, ожидаемые при передаче углового момента решетке. Изучая пленку железа толщиной в несколько десятков нанометров, они обнаружили, что индуцированное лазером размагничивание запускает поперечную волну деформации, которая распространяется от поверхности образца в его объем.
Эта волна деформации, как они объясняют, должна происходить из-за изменения углового момента решетки, оставляя только эффект Эйнштейна-де Гааза в качестве причины наблюдаемого поведения. Подгонка экспериментальных данных к модели предполагает, что 80% углового момента, потерянного из-за спинов в процессе размагничивания, передается решетке.
Таким образом, это открытие устанавливает, что так называемые процессы переворота спина, а не перенос спинов из одного места в другое, лежат в основе сверхбыстрого размагничивания, по крайней мере, в исследованном ими образце.
Однако Джонсон и его коллеги ожидают, что аналогичное поведение наблюдается и в других материалах, в которых намагниченность можно манипулировать с помощью фемтосекундных оптических импульсов. Такое сверхбыстрое оптическое переключение представляет значительный интерес с точки зрения приложений устройств, например, для новых магнитных запоминающих устройств.
Обнаруженный теперь новый поворот в знаменитом эффекте Эйнштейна-де Гааза вместе с фундаментальным пониманием, которое он дает, должны предложить ценные руководящие принципы для реализации этого обещания.