Poznaj sekrety rotacji, korzystając z technologii wysoce harmonicznych

Głęboko w każdym kawałku materii magnetycznej elektrony tańczą w rytm niewidzialnej mechaniki kwantowej. Ich spiny, podobne do maleńkich pików atomowych, dyktują zachowanie magnetyczne materii, w której żyją. Ten mikroskopijny balet jest kamieniem węgielnym zjawisk magnetycznych i to właśnie te spiny zespół badaczy z JILA – kierowany przez stypendystów JILA i profesorów z University of Colorado Boulder, Margaret Murnane i Henri Kaptein – nauczył się kontrolować z niezwykłą precyzją, potencjalnie na nowo definiując potencjał przyszłości. Elektronika i przechowywanie danych.

W nowej publikacji Science Advances zespół JILA – wraz ze współpracownikami z uniwersytetów w Szwecji, Grecji i Niemczech – badał dynamikę spinu wewnątrz specjalnego materiału znanego jako związek Heuslera: mieszaniny metali zachowującej się jak pojedynczy materiał magnetyczny. W tym badaniu naukowcy wykorzystali związek kobaltu, manganu i galu, który działał jako przewodnik dla elektronów o spinie w górę i izolator dla elektronów o spinie w dół.

Wykorzystując jako sondę światło zwane generowaniem wysokich harmonicznych w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV HHG), badacze byli w stanie śledzić reorientację spinu w związku po jego stymulacji laserem femtosekundowym, co spowodowało zmianę magnetyzmu próbki. Nieruchomości. Kluczem do dokładnej interpretacji przekierowań wirowania była możliwość dostosowania koloru światła sondy EUV HHG.

„W przeszłości ludzie nie dopasowywali kolorów dla HHG” – wyjaśniła współautorka i absolwentka JILA, Sinead Ryan. „Zazwyczaj naukowcy mierzyli sygnał tylko w kilku różnych kolorach, najwyżej w jednym lub dwóch kolorach na element magnetyczny”. Dokonując monumentalnego dzieła, zespół JILA dostroił sondę świetlną EUV HHG za pomocą rezonansu magnetycznego każdego elementu w związku, aby śledzić zmiany spinu z femtosekundową (biliardową części sekundy) precyzją.

„Co więcej, zmieniliśmy także przepływ wzbudzenia lasera, więc zmieniliśmy siłę używaną do manipulowania spinami” – wyjaśnił Ryan, podkreślając, że był to również pierwszy krok eksperymentalny w tego typu badaniach.

W ramach nowego podejścia badacze współpracowali z teoretykiem i współautorem Mohamedem El Hanouti z Uniwersytetu w Uppsali, który odwiedził Instytut Gila, aby porównać teoretyczne modele zmian rotacji z danymi eksperymentalnymi. Wyniki wykazały silne dopasowanie danych i teorii. „Uznaliśmy, że ustanowiliśmy nowy standard, łącząc teorię i eksperyment” – dodał Ryan.

Precyzyjna regulacja mocy optycznej

Aby głębiej zagłębić się w dynamikę wirowania kompleksu Heuslera, naukowcy udostępnili innowacyjne narzędzie: czujniki ultrafioletu o wysokiej harmonii. Aby wyprodukować czujniki, naukowcy skupili światło lasera o długości fali 800 nanometrów w rurze wypełnionej gazem neonowym, gdzie pole elektryczne lasera odciągało elektrony od atomów, a następnie odpychało je z powrotem. Kiedy elektrony odbiły się, zachowywały się jak gumki uwolnione po rozciągnięciu, tworząc fioletowe rozbłyski światła o wyższej częstotliwości (i energii) niż laser, który je wyrzucił. Ryan dostroił te impulsy, aby dopasować je do energii kobaltu i manganu w próbce, mierząc dynamikę wirowania specyficzną dla pierwiastka i zachowania magnetyczne w materiale, który zespół może dalej przetwarzać.

Konkurs efektów rotacyjnych

W wyniku eksperymentu naukowcy odkryli, że dostosowując moc lasera wzbudzenia i kolor (lub energię fotonów) sondy HHG, mogli określić, które efekty spinowe przeważały w kompozycie w różnych momentach. Porównali swoje pomiary ze złożonym modelem obliczeniowym zwanym teorią funkcjonału gęstości zależnej od czasu (TD-DFT). Model ten przewiduje, jak chmura elektronów w materiale będzie ewoluować z jednej chwili na drugą, pod wpływem różnych czynników wejściowych.

Korzystając ze struktury TD-DFT, przedsiębiorca pogrzebowy znalazł zgodność między modelem a danymi eksperymentalnymi ze względu na trzy konkurujące ze sobą efekty rotacji w obrębie kompleksu Heuslera. „W teorii odkrył, że fluktuacje spinu były dość dominujące we wczesnych okresach, a później transfery spinu stały się bardziej dominujące” – wyjaśnił Ryan. „Następnie z biegiem czasu następują dalsze efekty rozmagnesowania i próbka nie ulega już rozmagnesowaniu”.

Zjawisko fluktuacji spinu zachodzi w obrębie pojedynczego elementu próbki, gdzie spiny zmieniają swój kierunek z góry na dół i odwrotnie. Natomiast transfery spinu zachodzą w wielu pierwiastkach, w tym przypadku kobalcie i manganie, które przenoszą spin między sobą, powodując, że każdy materiał z czasem staje się mniej lub bardziej magnetyczny.

Zrozumienie, które efekty były dominujące oraz przy jakich poziomach energii i czasie, pozwoliło naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób manipulować spinem, aby nadać materiałom silniejsze właściwości magnetyczne i elektroniczne.

„Istnieje koncepcja elektroniki spinowej, która wykorzystuje elektronikę, którą obecnie posiadamy, i zamiast po prostu wykorzystywać ładunek elektronu, wykorzystujemy również spin elektronu” – wyjaśnił Ryan. „Dlatego elektronika spinowa ma również element magnetyczny. Powodem stosowania spinu zamiast ładowania elektronicznego jest to, że można tworzyć urządzenia o niższym oporze i mniejszym nagrzewaniu cieplnym, dzięki czemu urządzenia są szybsze i bardziej wydajne”.

Dzięki pracy z Elhanoty i innymi współpracownikami zespół JILA uzyskał głębszy wgląd w dynamikę obrotową wewnątrz pojazdów Heusler. „To naprawdę satysfakcjonujące widzieć tak dobrą zgodność z teorią i eksperymentem, choć wynika to z tak bliskiej i owocnej współpracy” – powiedział Ryan. Naukowcy z JILA mają nadzieję kontynuować tę współpracę, badając inne związki, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło jest wykorzystywane do manipulowania wzorami rotacyjnymi.