磁学的未来:科学家揭开电磁振子的秘密

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X射线揭示了晶格和原子自旋的同步摆动。

科学家们利用SwissFEL X射线自由电子激光器的独特实验组合,发现了晶格振动和自旋在称为电磁子的混合激发中之间的相互作用。原子水平上的这一发现为利用光超快操纵磁性铺平了道路。

在固体的原子晶格中,粒子及其各种性质以波状运动(称为集体激发)相互配合。当晶格中的原子一起摇晃时,集体激发称为声子。同样,当原子自旋时——原子的磁化——一起移动,它被称为磁振子。

情况变得更加复杂。其中一些集体激励在所谓的混合激励中相互通信。其中一种混合激励是电磁振子。与传统的磁振子相比,电磁振子之所以得名,是因为能够利用光的电场激发原子自旋:这是许多技术应用的令人兴奋的前景。然而,它们在原子水平上的秘密生活尚不清楚。

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有人怀疑,在电磁振子期间,晶格中的原子在激发中摆动和自旋摆动,这本质上是声子和磁振子的组合。然而,自2006年首次提出以来,只测量过自旋运动。晶格内的原子如何移动——如果它们真的移动的话——仍然是一个谜。对这两个组件如何相互通信的理解也是如此。

现在,在瑞士X射线自由电子激光器SwissFEL进行的一系列复杂实验中,PSI的研究人员将这些缺失的部分添加到拼图中。“随着对这些混合激发如何工作的更好理解,我们现在可以开始寻找在超快时间尺度上操纵磁性的机会,”领导这项研究的PSI显微镜和磁学小组负责人Urs Staub解释说。

首先是原子,然后是自旋

在SwissFEL的实验中,研究人员使用太赫兹激光脉冲在多铁性六铁氧体晶体中感应出电磁振子。然后,使用时间分辨的X射线衍射实验,他们拍摄了原子和自旋如何响应激发而移动的超快快照。有了这个,他们证明了晶格内的原子确实在电磁振子中移动,也揭示了能量如何在晶格和自旋之间传递。

他们研究的一个引人注目的结果是,原子首先移动,而自旋则稍后移动。当太赫兹脉冲撞击晶体时,电场推动原子运动,启动电磁振子的声子部分。这种运动会产生一个有效的磁场,随后移动自旋。

“我们的实验表明,激发不会直接移动自旋。以前还不清楚情况是否如此,“SwissFEL的光束线科学家、该出版物的第一作者Hiroki Ueda解释说。

更进一步,该团队还可以量化声子分量从太赫兹脉冲中获得多少能量,以及磁子分量通过晶格获得多少能量。“对于寻求驱动磁性系统的未来应用来说,这是一个重要的信息,”Ueda补充道。

一种自由电子激光器,两条光束线,两种晶体模式

他们发现的关键是能够在SwissFEL的硬X射线和软X射线光束线上测量互补时间分辨X射线衍射实验中的原子运动和自旋。

利用伯尔尼纳实验站的硬X射线,研究小组研究了晶格内原子的运动。最近开发的实验站设置包括专门设计的样品室,允许在非常低的温度下使用固体中的太赫兹场进行独特的超快速测量。

为了研究自旋的运动,研究小组使用了软X射线,这种射线对磁系统的变化更敏感。这些实验是在最近进入用户操作的Furka实验站进行的。 通过将X射线能量调整到材料中的共振,他们可以专门关注来自自旋的信号 – 通常被掩盖的信息。

“在伯尔尼纳单独测量声子部分是向前迈出的重要一步。能够使用Furka进行磁运动是一种实验性的可能性,在世界其他任何地方几乎都不存在,“Staub评论道。

基本原理对于我们理解其他物理过程很重要

Ueda、Staub及其同事提供了对电磁振子微观起源的理解。这种理解不仅对这个物理过程很重要,而且在更普遍的意义上也很重要。

晶格和自旋之间的基本相互作用支撑着许多物理效应,这些效应产生了不寻常且可能非常有用的材料特性:例如,高温超导性。只有更好地了解这些影响,才能进行控制。

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