Интенсивный лазер намагничивает твердые тела за считанные секунды

Интенсивный лазерный свет может создать аттосекундный магнетизм в твердых телах с тяжелыми атомами, что дает новое понимание намагниченности и потенциально позволяет создавать сверхбыстрые устройства памяти.

Интенсивный лазерный свет может индуцировать магнетизм в твердых телах в аттосекундном масштабе — это самый быстрый магнитный отклик. К такому выводу пришли теоретики из MPSD, которые использовали расширенное моделирование для исследования процесса намагничивания многих двумерных и трехмерных материалов. Их расчеты показывают, что в структурах с тяжелыми атомами динамика быстрых электронов, инициируемая лазерными импульсами, может быть преобразована в аттосекундный магнетизм. Работа опубликована в журнале npj арифметические материалы.

Команда сосредоточилась на нескольких стандартных 2D и 3D системах материалов, но результаты применимы ко всем материалам с тяжелыми атомарными компонентами. «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 x-поляризацию, другими словами, в магнетизм. В противном случае свет просто не взаимодействует со спином электронов».

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

Теоретики решили исследовать магнитные явления, которые могут возникать при взаимодействии твердых тел с высоколинейно поляризованными лазерными импульсами, которые обычно ускоряют электроны в материале в очень короткие промежутки времени. «Эти условия интересно исследовать, потому что, когда лазерные импульсы имеют линейную поляризацию, обычно считается, что они не вызывают магнетизма», — говорит Нойфельд.

Неожиданно их моделирование показало, что эти особенно мощные лазеры намагничивают материалы, хотя намагниченность носит временный характер — она длится только до тех пор, пока лазерный импульс не будет выключен. Однако наиболее заметное открытие касалось скорости этого процесса: намагничивание развивается за чрезвычайно короткие промежутки времени, менее 500 аттосекунд — предсказание самого быстрого магнитного отклика, который когда-либо наблюдался. Аттосекунда — это миллионная доля секунды (1 х 10⁻¹⁸ второго). В масштабе одна аттосекунда равна одной секунде, поскольку одна секунда равна примерно 32 миллиардам лет.

Используя передовые инструменты моделирования для объяснения лежащего в основе механизма, команда показала, что интенсивный свет меняет спин электронов назад и вперед. Лазер эффективно разгоняет электроны до круговых орбит на расстоянии нескольких сотен аттосекунд. Затем эти сильные спин-орбитальные взаимодействия выравнивают направления вращения. Этот процесс можно представить как шар для боулинга, скользящий по поверхности, а затем начавший катиться: в этой аналогии свет толкает мяч, а спин-орбитальные взаимодействия (сила, возникающая от соседних тяжелых ядер, когда электрон вращается вокруг) вызывают катиться туда-сюда, намагничивая его. Обе силы работают вместе, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки.

«Результаты предлагают новое захватывающее понимание основ намагничивания, — говорит Нойфельд: «Мы обнаружили, что это сильно нелинейный эффект, который можно настроить с помощью свойств лазера. Результаты, хотя и не доказаны однозначно, указывают на то, что предел магнитной скорости составляет несколько десятков аттосекунд», потому что это нормальный предел скорости для электронного движения».

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

Ссылка: «Динамика аттосекундной намагниченности в немагнитных материалах, управляемая мощными фемтосекундными лазерами». Овер Нойфельд, Николас Танкоген Деген, Умберто Ди Джованнини, Ханс Хубенер и Анхель Рубио, 23 марта 2023 г., доступно здесь. npj арифметические материалы.
DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7