Фононные спектры (в направлении Γ-X-Δ-Λ) для FePt с силой EPC, обозначенной шириной спектральной линии. (A) Энергии фононов даны в электрон-вольтах слева, а соответствующие значения показаны в терагерцах справа. Как видно (ширина оранжевой кривой), ЭПК наиболее сильна в точке X (подробности о природе этих мод см. в легенде), (B) структура L10 (две элементарные ячейки в направлении x ) с атомами Fe как красные и атомы Pt как серые; (C) внеплоскостная мода Fe-Pt в точке Γ с периодом 165 фс; (D) Pt-мода в плоскости в точке X с периодом 191 фс. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq2021

Команда использовала современное теоретическое моделирование связанной динамики спина , заряда и решетки, чтобы идентифицировать неадиабатические модели, связанные спин-фонон, которые доминировали в динамике спина в ранние времена. Полученные данные показали, как физики и материаловеды могут избирательно предварительно возбуждать ядерную систему, чтобы регулировать фемтосекундную динамику вращения в материалах.

Нормированный спиновой момент с атомным разрешением как функция времени (в фемтосекундах) в FePt с лазерной накачкой, при этом векторный потенциал лазерного импульса показан серым цветом. Расчеты спиновой динамики выполняются как для полной ядерной динамики (т. е. включающей как предвозбуждение фонона, так и силы, создаваемые на ядрах за счет передачи импульса от возбужденной электронной системы), так и в отсутствие ядерной динамики. Смещение атомов во время фононных мод показано черными пунктирными линиями. Результаты показаны для двух наиболее сильно связанных фононных мод в точке X: (A) плоскостная мода Pt (см. рис. 1D) и (B) плоскостная мода Fe. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq2021

Хранение информации с помощью фемто-фоно-магнетизма

Информация может храниться и обрабатываться со скоростью, определяемой фундаментальными масштабами времени, с которыми внешние поля могут воздействовать на материю. Исследователи определили самый быстрый такой маршрут, взаимодействуя материю с электромагнитным полем света, при этом сверхбыстрые лазеры могут регулировать магнитный порядок как ключевой путь для определения микроскопического порядка. Этот процесс может происходить с помощью ряда методов либо путем передачи спина между магнитными подрешетками, либо путем регулирования спин-орбитальной связи. Из всех процессов решетка действует как резервуар энергии и импульса, который сохраняет размагниченный угловой момент.

В этой работе команда рассмотрела роль возбуждения фононов решетки в динамике магнитного порядка в сверхбыстрых временных масштабах. Они использовали железную платину (FePt) во время исследования, чтобы показать, как селективное возбуждение решетки перед применением лазерного импульса приводит к значительному улучшению размагничивания. Однако они не наблюдали заметного изменения магнитного момента в отсутствие лазерного импульса.

Система накачивается лазерным импульсом в разное время в фононной моде. Смещение атомов во время фононной моды (сплошная черная линия) и векторный потенциал лазерного импульса накачки (красный) показаны на (A)–(E). Соответствующий магнитный момент (в магнетонах бора) как функция времени (в фемтосекундах) для атомов Fe в FePt показан на (F)–(J). Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq2021

Электронно-фононная связь и фемто-фоно-магнетизм

Шарма и его коллеги регулировали спиновую динамику с помощью выбранных фононных мод и наблюдали фононные спектры и электрон-фононную связь для образцов железа и платины. Они использовали установку с двойной накачкой, в которой фононы предварительно возбуждались, а затем включали оптическую лазерную накачку для регулирования спинов в присутствии возбужденных фононных мод. Команда наблюдала динамику вращения железной платины под влиянием импульса накачки в присутствии двух сильно связанных фононных мод. Платиновая мода в плоскости оказывала существенное влияние на спиновую динамику.

Результаты выявили способность предварительно возбуждать ядерную динамику, чтобы влиять на сверхбыстрое размагничивание для более быстрой регуляции вращения. Кроме того, хотя большая электрон-фононная связь полезна в качестве ориентира, она не приводит к большой спин-фононной связи. Исследователи исследовали причину усиленного размагничивания в результате неадиабатической связанной спин-ядерной динамики; т. е. в которых на движение ядер влияло более чем одно электронное состояние.

Они заметили поток спинового тока от железа к атомам платины для генерации терагерцового излучения — радиационный эффект решающей важности, который они намерены исследовать в будущем. Исследователи также рассчитывают изучить световое излучение, возникающее в результате фономагнетизма. Ключевые результаты этой работы показали, как неосновной спиновый ток между подрешетками регулирует физику спин-фононной связи.

Перспектива

Таким образом, Сангита Шарма и его коллеги продемонстрировали многокомпонентный магнит для хранения информации с помощью фемто-фоно-магнетизма. В этом исследовании ядерные степени свободы не только функционировали как сток энергии для накачанных спинов, но также способствовали улучшению спиновой динамики в фемтосекундных масштабах времени. Команда исследовала природу спин-фононного взаимодействия и микроскопические механизмы, лежащие в основе эффекта усиленного размагничивания.

Результаты облегчат путь к регулированию спина с помощью когерентных фононов малой амплитуды в многокомпонентных металлических магнитах. Ученые ожидают, что в будущих исследованиях будет изучено влияние таких токов на излучение света, результаты которых обеспечат новый механизм регулирования магнитного порядка в фемтосекундных масштабах времени для широкого применения в физике конденсированных сред.