Сверхбыстрое включение магнетизма в монослое BiH. Иллюстрация гексагональной решетки BiH и сверхбыстрого включения магнетизма: интенсивный фемтосекундный лазерный импульс облучается на материал, возбуждая электронные токи, которые посредством спин-орбитальных взаимодействий вызывают намагничивание и переворот спина.
b Зонная структура BiH с SOC и без него (красная и синяя полосы обозначают занятые и незанятые состояния соответственно). В случае СОК каждая полоса вырождена по спину.
c Вычисленное среднее значение спина, < S z (t)>, управляемое импульсами с круговой поляризацией для нескольких интенсивностей возбуждения (для длины волны 3000 нм). х _-компонент движущего поля иллюстрируется в произвольных единицах, чтобы передать различные временные масштабы в динамике.
Предоставлено: npj Computational Materials (2023). DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7

Команда сосредоточилась на нескольких эталонных 2D- и 3D-системах материалов, но результаты применимы ко всем материалам, включающим тяжелые атомарные составляющие. «Тяжелые атомы особенно важны, потому что они вызывают сильное спин-орбитальное взаимодействие», — объясняет ведущий автор Офер Нойфельд. «Это взаимодействие является ключом к преобразованию индуцированного светом движения электронов в спиновую поляризацию — другими словами, в магнетизм. В противном случае свет просто не взаимодействует со спином электронов».

Точно так же, как крошечные стрелки компаса, электроны также можно представить как имеющие внутреннюю стрелку, указывающую на какое-то направление в пространстве, например, «вверх» или «вниз» — так называемый «спин». Направление вращения каждого электрона зависит от химического окружения вокруг него, например, какие атомы он может видеть и где находятся другие электроны. В немагнитных материалах электроны вращаются одинаково во всех направлениях. Напротив, когда спины отдельных электронов выравниваются друг с другом и указывают в одном направлении, материал становится магнитным.

Теоретики решили исследовать, какие магнитные явления могут возникать, когда твердые тела взаимодействуют с интенсивными линейно-поляризованными лазерными импульсами, которые обычно ускоряют электроны внутри материи в очень короткие промежутки времени. «Эти условия интересно исследовать, потому что, когда лазерные импульсы имеют линейную поляризацию, обычно считается, что они не вызывают никакого магнетизма», — говорит Нойфельд.

Неожиданно их моделирование показало, что эти особенно мощные лазеры действительно намагничивают материалы, даже несмотря на то, что магнетизм является временным — он длится только до тех пор, пока лазерный импульс не будет выключен. Однако наиболее примечательное открытие касалось скорости этого процесса: намагниченность развивается в чрезвычайно короткие промежутки времени, менее 500 аттосекунд — предсказание для самого быстрого магнитного отклика за всю историю. Для масштаба одна аттосекунда равна одной секунде, как одна секунда соответствует примерно 32 миллиардам лет.

Используя передовые инструменты моделирования для объяснения лежащего в основе механизма, команда показала, что интенсивный свет переворачивает спины электронов вперед и назад. Лазер эффективно ускоряет электроны по круговым орбитам за несколько сотен аттосекунд. Затем эти сильные спин-орбитальные взаимодействия выравнивают направления вращения.

Этот процесс можно представить как шар для боулинга, скользящий по поверхности, который затем начинает катиться: в этой аналогии свет толкает мяч, а спин-орбитальные взаимодействия (сила, возникающая из-за близлежащих тяжелых ядер, когда электрон вращается вокруг него) заставляют его катиться вперед и назад, намагничивая его. Обе силы действуют вместе, чтобы заставить мяч катиться.

«Результаты предлагают увлекательное новое понимание основ намагничивания», — говорит Нойфельд: «Мы обнаружили, что это сильно нелинейный эффект, который можно настроить с помощью свойств лазера. Результаты намекают, хотя и не доказывают однозначно, что предельная скорость предел для магнетизма составляет несколько десятков аттосекунд, потому что это естественный предел скорости электронного движения».

Понимание этих индуцированных светом процессов намагничивания на их фундаментальном уровне в ряде материалов является важным шагом на пути к разработке сверхбыстрых запоминающих устройств и меняет современное понимание магнетизма.