掌握电子自旋：高谐波探针解开磁性奥秘

突破性研究能够精确控制磁性材料中的电子自旋，这是朝着开发更快、更高效的电子产品迈出的重要一步。

在每一块磁性材料的深处，电子随着量子力学的无形曲调跳舞。 它们的自旋，类似于微小的原子顶部，决定了它们所居住的物质的磁性行为。 这种微观芭蕾舞是磁现象的基石，由JILA研究员和科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的JILA研究团队已经学会了以非凡的精度进行控制，有可能重新定义电子和数据存储的未来。

Heusler化合物的创新研究

正如最近在《科学进展》上发表的一篇论文所报道的那样，JILA团队和来自瑞典、希腊和德国大学的合作者探索了一种被称为Heusler化合物的特殊材料中的自旋动力学：一种表现像单一磁性材料的金属混合物。 在这项研究中，研究人员利用了一种钴、锰和镓的化合物，它们充当自旋向上排列的电子的导体，以及自旋向下排列的电子的绝缘体。

使用一种称为极紫外高谐波产生（EUV HHG）的光作为探针，研究人员可以在用飞秒激光激发化合物后跟踪化合物内部自旋的重新取向，这导致样品改变其磁性。 准确解释自旋重新定向的关键是能够调整EUV HHG探针光的颜色。

革新高谐波发电

“过去，人们没有对HHG进行过这种颜色调整，”共同第一作者和JILA研究生Sinéad Ryan解释说。 “通常，科学家只测量几种不同颜色的信号，每个磁性元件最多一两个。 JILA团队在历史上的第一次调整了他们的EUV光探针，跨越化合物中每个元素的磁共振，以精确到飞秒（千万亿分之一秒）的精度跟踪自旋变化。

“最重要的是，我们还改变了激光激发通量，所以我们改变了我们用来操纵自旋的功率，”Ryan解释说，并强调这一步也是此类研究的实验性第一次。 通过改变功率，研究人员可以影响化合物内的自旋变化。

研究人员利用他们的新方法，与乌普萨拉大学的理论家和共同第一作者Mohamed Elhanoty合作，他访问了JILAs，将自旋变化的理论模型与他们的实验数据进行了比较。 他们的研究结果显示数据与理论之间有很强的对应关系。 “我们觉得我们已经设定了一个新的标准，理论和实验之间的一致性，”瑞安补充道。

微调光能

为了深入研究Heusler化合物的自旋动力学，研究人员带来了一种创新工具：极紫外高谐波探针。 为了生产探针，研究人员将800纳米激光聚焦到一个充满氖气的管子中，激光的电场将电子从原子中拉开，然后将它们推回去。 当电子反弹时，它们就像橡皮筋被拉伸后释放出来一样，产生紫色的光，其频率（和能量）高于将它们踢出的激光。 Ryan调整了这些爆发，使其与样品中钴和锰的能量产生共振，测量了材料中特定于元素的自旋动力学和磁性行为，该团队可以进一步操纵这些能量。

旋转效果的竞争

在他们的实验中，研究人员发现，通过调整激发激光的功率和EUV探针的颜色（或光子能量），他们可以确定哪些自旋效应在化合物的不同时间占主导地位。 他们将测量结果与称为瞬态密度泛函理论（TD-DFT）的复杂计算模型进行了比较。 该模型预测了材料中的电子云在暴露于各种输入时如何时时刻刻演变。

使用TD-DFT框架，Elhanoty发现模型和实验数据之间是一致的，因为Heusler化合物中存在竞争的自旋效应：自旋向上或向下翻转以及自旋转移。 自旋翻转发生在样品中的一个元素内，因为自旋从上到下移动其方向，反之亦然。 相比之下，自旋转移发生在多种元素中，在这种情况下，钴和锰，因为它们在彼此之间转移自旋，导致每种材料随着时间的推移变得或多或少具有磁性。 “他（Elhanoty）在理论中发现的是，自旋翻转在早期的时间尺度上非常占主导地位，然后自旋转移变得更加占主导地位，”Ryan解释道。 “然后，随着时间的流逝，更多的退磁效应接管，样品退磁。

设计更高效的材料

了解哪些效应在哪些能级和时间下占主导地位，使研究人员能够更好地了解如何操纵自旋，使材料具有更强大的磁性和电子特性。

“有这个自旋电子学的概念，它采用了我们目前拥有的电子学，而不是只使用电子的电荷，我们还使用电子的自旋，”Ryan解释道。 “所以，自旋电子学也有一个磁性元件。 使用自旋代替电子电荷可以创造出电阻更小、热发热更小的器件，使器件更快、更高效。

推进自旋电子学

通过与Elhanoty及其其他合作者的合作，JILA团队对Heusler化合物中的自旋动力学有了更深入的了解。 Ryan说：“看到理论和实验达成如此良好的一致性，以及这种非常密切和富有成效的合作，这真的很有意义。 JILA的研究人员希望在研究其他化合物方面继续这种合作，以更好地了解如何利用光来操纵自旋模式。