2021年6月8日
当非常短的激光脉冲击中磁性材料时会发生什么?美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室领导的一个大型国际合作项目正着手回答这个问题。
正如他们刚刚报道的美国国家科学院院刊亚博老虎机网登录激光抑制了整个材料的磁阶数皮秒，或万亿分之一秒。了解磁相关性如何在超快的时间尺度上变化是能够以应用为导向的方式控制磁的第一步。例如，通过这种控制，我们可以更快地将数据写入存储设备，或者增强超导性(一种材料在不损失能量的情况下导电的现象)，超导性通常与磁性等其他状态相竞争。
研究的材料是锶铱氧化物(Sr3.红外2O7)，一种具有双层晶体结构和大磁各向异性的反铁磁体。在反铁磁体中，磁矩或电子自旋与邻近的自旋方向相反。各向异性意味着自旋向任意随机方向旋转需要付出能量代价;它们想要在晶体结构中指向上或下。布鲁克海文实验室的凝聚态物理和材料科学(CMPMS)部门的x射线散射小组之前已经研究过这种材料(和一种单层姐妹化合物，Sr亚博网站下载亚博老虎机网登录2——4)，所以他们进入了这个研究，很好地了解了它的平衡状态。
“非常短的激光脉冲会干扰系统，破坏它的磁秩序，”该研究的第一作者、前小组成员、瑞士保罗谢勒研究所连续角多能量分析光谱仪的仪器科学家丹尼尔马佐内说。“在这项研究中，我们感兴趣的是看到系统如何放松回到正常状态。我们知道松弛发生在非常快的时间尺度上，为了拍摄移动非常快的物体，我们需要非常短的照明脉冲。用x射线自由电子激光源，我们可以产生足够短的脉冲，可以看到原子和分子的运动。世界上只有5个地方有这种来源——美国、日本、韩国、德国和瑞士。”
在这项研究中，研究小组在五个设施中的两个进行了实验。在日本的弹簧-8埃紧凑自由电子激光器(SACLA)上，他们进行了时间分辨共振弹性x射线散射(tr-REXS)。在直线加速器相干光源(SLAC国家加速器实验室的能源部科学办公室用户设施)的x射线泵浦-探测仪器上，科学家们进行了时间分辨共振非弹性x射线散射(tr-RIXS)。亚博老虎机网登录在这两种散射技术中，x射线(探针)几乎在激光脉冲(泵浦)之后立即撞击材料。通过测量光散射粒子(光子)的能量和角度，科学家可以确定材料的电子结构，从而确定磁性配置。yabo214在这种情况下，x射线能量被调整到对铱原子周围的电子敏感，而这些电子驱动了这种材料的磁性。trr - rexs可以揭示长程磁有序度，而trr - rixs可以提供局域磁相互作用的图像。
“为了观察自旋的详细行为，我们需要非常精确地测量x射线的能量变化，”共同通讯作者、CMPMS部门x射线散射组的物理学家马克·迪恩解释道。“为此，我们在SLAC建造并安装了一台电动x射线光谱仪。”
他们的数据揭示了磁相互作用是如何被抑制的，不仅在局部，而且在所有地方。在磁阶恢复到最初的反铁磁状态之前，这种抑制持续了皮秒。
“双层系统没有能量低成本的方式来改变磁性状态，”迪安解释说。“它被困在这个瓶颈中，磁性失去平衡，无法恢复，至少不如单层系统恢复得快。”
“对于大多数应用，比如数据存储，你需要快速磁开关，”马佐尼补充说。“我们的研究表明，自旋指向任何方向的系统更有利于控制磁性。”
接下来，该团队计划研究相关材料，并希望以更有针对性的方式操纵磁性——例如，改变两亚博网站下载个相邻自旋相互“交谈”的强度。
“如果我们可以改变两个自旋之间的距离，看看这如何影响它们的相互作用，那将是非常酷的，”马佐尼说。“了解了磁力是如何演变的，我们就可以对它进行调整，也许会产生新的状态。”
设置和操作光谱仪的复杂性需要大量的合作，包括布鲁克海文x射线散射小组的前任和现任成员Daniel Mazzone, Derek Meyers, Yue Cao, Jiaqi Lin, Vivek Thampy, Hu Miao, Tadesse Assefa, John Hill, Ian Robinson和Xuerong Liu。伦敦大学学院的詹姆斯·瓦尔、卡梅隆·达什伍德和德斯蒙德·麦克莫罗;美国能源部阿贡国家实验室的Diego Casa和Jungho Kim;保罗·谢勒研究所的激光专家艾伦·约翰逊和罗曼·曼考斯基，马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的迈克尔·Först，以及奥尔胡斯大学的西蒙·沃尔;来自SLAC和SACLA的波束团队对实验的成功也至关重要。理论合作包括布鲁克海文的罗伯特·科尼克，尼尔·罗宾逊和安德鲁·詹姆斯，他们都曾在布鲁克海文工作。
其他合作机构包括俄克拉荷马州立大学、中国科学院、开放大学、阿姆斯特丹大学、上海科技大学、日本理研所、巴塞罗那科技学院和田纳西大学。亚博老虎机网登录
本研究得到了美国能源部科学办公室、瑞士国家科学基金会、英国研究与创新工程与物理科学研究理事会、上亚博老虎机网登录海科技大学启动基金、中国科学院国家自然科学基金、西班牙经济和竞争力部，Fundació Privada Cellex, Fundació Mir-Puig，加泰罗尼亚Generalitat de Catalunya，欧洲研究理事会和国家科学基金会。亚博老虎机网登录
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