Сверхбыстрый магнетизм

Как быстро магнит может изменить свою ориентацию, и какие механизмы участвуют в этом процессе? Команда HZB на BESSY II впервые экспериментально оценила основной микроскопический процесс сверхбыстрого магнетизма. Разработанная для этой цели методология также может быть использована для исследования взаимодействий между спинами и колебаниями решетки в графене, сверхпроводниках или других квантовых материалах.

Взаимодействия между электронами и фононами рассматриваются как микроскопическая движущая сила сверхбыстрого процесса намагничивания или размагничивания (перевороты спина). Однако до сих пор было невозможно детально наблюдать такие сверхбыстрые процессы из-за отсутствия подходящих методов.

В настоящее время команда, возглавляемая профессором Александром Фёлишом, разработала оригинальный метод экспериментального определения скорости рассеяния с переворотом при электрон-фононном возбуждении в двух модельных системах: ферромагнитный никель и немагнитная медь.

Для этого они использовали рентгеновскую эмиссионную спектроскопию (XES) на BESSY II. Рентгеновские лучи возбуждали сердцевинные электроны в образцах (Ni или Cu), создавая так называемые сердцевинные отверстия, которые затем заполнялись распадом валентных электронов.

Этот распад приводит к излучению света, который затем может быть обнаружен и проанализирован. Образцы были измерены при разных температурах, чтобы наблюдать влияние решеточных колебаний (фононов), увеличивающихся от комнатной температуры до 900 градусов Цельсия.

По мере повышения температуры ферромагнитный никель демонстрировал сильное снижение выбросов. Это наблюдение хорошо согласуется с теоретическим моделированием процессов в электронной зонной структуре никеля после возбуждений: при увеличении температуры и, таким образом, заселения фононов скорость рассеяния между электронами и фононами увеличивается. Рассеянные электроны больше не доступны для распада, что приводит к уменьшению эмиссии света. Как и ожидалось, в случае диамагнитной меди колебания решетки практически не влияли на измеряемые выбросы.

«Мы считаем, что наша статья представляет большой интерес не только для специалистов в области магнетизма, электронных свойств твердого тела и рентгеновской эмиссионной спектроскопии, но и для более широкого круга читателей, интересующихся последними разработками в этой динамичной области исследований», говорит доктор Регис Декер, один из авторов работы.

Новый метод также можно использовать для анализа процессов сверхбыстрого переворота спинов в квантовых материалах, таких как графен, сверхпроводники или топологические изоляторы.

Régis Decker et al, Measuring the atomic spin-flip scattering rate by x-ray emission spectroscopy, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-45242-8