Intensywny laser magnetyzuje ciała stałe w ciągu kilku sekund

Intensywny impuls lasera uderza w materiał, powodując ultraszybkie turbulencje wirujące, które występują w skali czasowej około 100 attosekund. Źródło: © J. Harms, MPSD

Intensywne światło lasera może wytworzyć attosekundowy magnetyzm w ciałach stałych z ciężkimi atomami, dostarczając nowych informacji na temat namagnesowania i potencjalnie umożliwiając tworzenie ultraszybkich urządzeń pamięciowych.

Intensywne światło lasera może indukować magnetyzm w ciałach stałych w skali attosekundowej – najszybsza jak dotąd reakcja magnetyczna. Jest to odkrycie dokonane przez teoretyków z MPSD, którzy wykorzystali zaawansowane symulacje do zbadania procesu namagnesowania w wielu materiałach 2D i 3D. Ich obliczenia pokazują, że w strukturach z ciężkimi atomami dynamikę szybkich elektronów inicjowaną przez impulsy laserowe można przekształcić w magnetyzm attosekundowy. Praca została opublikowana w czasopiśmie npj materiały arytmetyczne.

Zespół skupił się na kilku standardowych systemach materiałów 2D i 3D, ale wyniki dotyczą wszystkich materiałów z ciężkimi składnikami atomowymi. „Ciężkie atomy są szczególnie ważne, ponieważ indukują silne oddziaływanie spinowo-orbitalne” – wyjaśnia główny autor Ofer Neufeld. „Ta interakcja jest kluczem do przekształcenia wywołanego światłem ruchu elektronów w polaryzację x – innymi słowy, w magnetyzm. W przeciwnym razie światło po prostu nie oddziałuje ze spinem elektronów.”

Podobnie jak igły małego kompasu, elektrony można sobie wyobrazić jako mające wewnętrzną igłę skierowaną w jakimś kierunku w przestrzeni, powiedzmy „w górę” lub „w dół” – tak zwany „spin”. Kierunek wirowania każdego elektronu zależy od otaczającego go środowiska chemicznego, na przykład od tego, które atomy widzi i gdzie znajdują się inne elektrony. W materiałach niemagnetycznych elektrony wirują jednakowo we wszystkich kierunkach. W przeciwieństwie do tego, gdy pojedyncze spiny elektronów ustawiają się w jednej linii i wskazują ten sam kierunek, materiał staje się paramagnetyczny.

Teoretycy postanowili zbadać zjawiska magnetyczne, które mogą wystąpić, gdy ciała stałe oddziałują z wysoce spolaryzowanymi liniowo impulsami laserowymi, które zazwyczaj przyspieszają elektrony w bardzo krótkich skalach czasowych w materiale. „Te warunki są fascynujące do zbadania, ponieważ kiedy impulsy laserowe mają polaryzację liniową, zwykle uważa się, że nie indukują magnetyzmu” – mówi Neufeld.

Nieoczekiwanie ich symulacje wykazały, że te szczególnie silne lasery magnetyzują materiały, mimo że namagnesowanie jest przejściowe — trwa tylko do momentu wyłączenia impulsu laserowego. Najbardziej godne uwagi odkrycie dotyczyło jednak szybkości tego procesu: namagnesowanie rozwija się w bardzo krótkich skalach czasowych, poniżej 500 attosekund – przewidywanie najszybszej reakcji magnetycznej, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Attosekunda to jedna milionowa sekundy (1 x 10⁻¹⁸ drugiego). W skali jedna attosekunda równa się jednej sekundzie, ponieważ jedna sekunda to około 32 miliardy lat.

Wykorzystując zaawansowane narzędzia symulacyjne do wyjaśnienia podstawowego mechanizmu, zespół wykazał, że intensywne światło zmienia spin elektronów tam iz powrotem. Laser skutecznie rozpędza elektrony na kołowe orbity w odległości kilkuset attosekund. Te silne interakcje spin-orbita następnie wyrównują kierunki wirowania. Proces ten można sobie wyobrazić jako kulę do kręgli przesuwającą się po powierzchni, a następnie zaczynającą się toczyć: w tej analogii światło popycha piłkę, a interakcje spin-orbita (siła powstająca z pobliskich ciężkich jąder, gdy elektron się obraca) powodują obracać się w przód iw tył, magnesując go. Obie siły działają razem, aby wprawić piłkę w ruch.

Wyniki oferują fascynujący nowy wgląd w podstawy magnetyzacji, mówi Neufeld: „Odkryliśmy, że jest to wysoce nieliniowy efekt, który można dostroić za pomocą właściwości lasera. Wyniki, choć nie są jednoznacznie udowodnione, wskazują, że granica prędkości magnetycznej to kilkadziesiąt attosekund.” , ponieważ jest to normalne ograniczenie prędkości dla ruchu elektronicznego”.

Zrozumienie procesów magnetyzacji indukowanych światłem na ich podstawowym poziomie w szeregu materiałów jest kluczowym krokiem w kierunku opracowania ultraszybkich urządzeń pamięciowych i zmienia obecne rozumienie magnetyzmu.

Odniesienie: „Dynamika attosekundowego namagnesowania w materiałach niemagnetycznych napędzanych intensywnymi laserami femtosekundowymi” Over Neufeld, Nicholas Tankogen Degen, Umberto Di Giovannini, Hans Hubener i Angel Rubio, 23 marca 2023 r., Dostępne tutaj. npj materiały arytmetyczne.
DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7