Entschlüsseln Sie die Geheimnisse des Spins mit hochharmonischen Sonden

Tief in jedem Stück magnetischen Materials tanzen Elektronen nach der unsichtbaren Melodie der Quantenmechanik. Ihre Spins, die winzigen Atomkreiseln ähneln, bestimmen das magnetische Verhalten des Materials, in dem sie leben. Dieses mikroskopische Ballett ist der Grundstein magnetischer Phänomene, und es sind diese Spins, die ein Team von JILA-Forschern – unter der Leitung der JILA Fellows und der Professoren Margaret Murnane und Henry Kapteyn von der University of Colorado Boulder – gelernt hat, mit bemerkenswerter Präzision zu kontrollieren und möglicherweise die Zukunft neu zu definieren Elektronik und Datenspeicherung.

In einem Wissenschaftliche Fortschritte VeröffentlichungDas JILA-Team untersuchte zusammen mit Mitarbeitern von Universitäten in Schweden, Griechenland und Deutschland die Spindynamik in einem speziellen Material, das als Heusler-Verbindung bekannt ist: eine Mischung aus Metallen, die sich wie ein einzelnes magnetisches Material verhält.

Für diese Studie verwendeten die Forscher eine Verbindung aus Kobalt, Mangan und Gallium, die als Leiter für Elektronen fungierte, deren Spins nach oben ausgerichtet waren, und als Isolator für Elektronen, deren Spins nach unten ausgerichtet waren.

Mit einer Form von Licht namens EUV HHG (extreme ultraviolet high-harmonic generation) als Sonde konnten die Forscher die Neuausrichtung der Spins innerhalb der Verbindung verfolgen, nachdem sie diese mit einem Femtosekundenlaser angeregt hatten, was dazu führte, dass die Probe ihre magnetischen Eigenschaften änderte Eigenschaften. Der Schlüssel zur genauen Interpretation der Spin-Neuausrichtungen war die Fähigkeit, die Farbe des EUV-HHG-Sondenlichts abzustimmen.

„In der Vergangenheit haben die Leute diese Farbabstimmung von HHG nicht durchgeführt“, erklärte Co-Erstautor und JILA-Doktorand Sinéad Ryan. „Normalerweise haben Wissenschaftler das Signal nur bei einigen wenigen verschiedenen Farben gemessen, vielleicht bei einer oder höchstens zwei pro magnetischem Element.“ In einer monumentalen Premiere hat das JILA-Team seine EUV-HHG-Lichtsonde auf die Magnetresonanzen jedes Elements innerhalb der Verbindung abgestimmt, um die Spinänderungen mit einer Präzision bis zu Femtosekunden (einem Billiardstel einer Sekunde) zu verfolgen.

„Darüber hinaus haben wir auch die Laseranregungsfluenz geändert, also die Menge an Energie, die wir zur Manipulation der Spins verwendeten“, erläuterte Ryan und betonte, dass dieser Schritt auch eine experimentelle Premiere für diese Art von Forschung sei.

Neben ihrem neuartigen Ansatz arbeiteten die Forscher mit dem Theoretiker und Co-Erstautor Mohamed Elhanoty von der Universität Uppsala zusammen, der JILA besuchte, um theoretische Modelle von Spinänderungen mit ihren experimentellen Daten zu vergleichen. Ihre Ergebnisse zeigten eine starke Übereinstimmung zwischen Daten und Theorie. „Wir hatten das Gefühl, dass wir mit der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment einen neuen Standard setzen würden“, fügte Ryan hinzu.

Feinabstimmung der Lichtenergie

Um in die Spindynamik ihrer Heusler-Verbindung einzutauchen, brachten die Forscher ein innovatives Werkzeug an den Tisch: hochharmonische Extrem-Ultraviolett-Sonden. Um die Sonden herzustellen, fokussierten die Forscher 800-Nanometer-Laserlicht in eine mit Neongas gefüllte Röhre, wo das elektrische Feld des Lasers die Elektronen von ihren Atomen wegzog und sie dann zurückdrängte.

Als die Elektronen zurückschnappten, verhielten sie sich wie Gummibänder, die sich nach der Dehnung lösen, und erzeugten violette Lichtblitze mit einer höheren Frequenz (und Energie) als der Laser, der sie herausgeschleudert hatte. Ryan stimmte diese Ausbrüche so ab, dass sie mit den Energien des Kobalts und des Mangans in der Probe in Resonanz standen, und maß elementspezifische Spindynamik und magnetisches Verhalten innerhalb des Materials, die das Team weiter manipulieren konnte.

Ein Wettbewerb der Spin-Effekte

In ihrem Experiment fanden die Forscher heraus, dass sie durch Abstimmung der Leistung des Anregungslasers und der Farbe (oder der Photonenenergie) ihrer HHG-Sonde bestimmen konnten, welche Spineffekte zu unterschiedlichen Zeiten innerhalb ihrer Verbindung vorherrschend waren. Sie verglichen ihre Messungen mit einem komplexen Rechenmodell namens zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT). Dieses Modell sagt voraus, wie sich eine Elektronenwolke in einem Material von Moment zu Moment entwickelt, wenn es verschiedenen Eingaben ausgesetzt wird.

Unter Verwendung des TD-DFT-Frameworks fand Elhanoty eine Übereinstimmung zwischen dem Modell und den experimentellen Daten aufgrund von drei konkurrierenden Spineffekten innerhalb der Heusler-Verbindung.

„Was er in der Theorie herausfand, war, dass die Spin-Flips auf frühen Zeitskalen ziemlich dominant waren und dann die Spin-Transfers dominanter wurden“, erklärte Ryan. „Mit fortschreitender Zeit treten dann weitere Entmagnetisierungseffekte ein und die Probe entmagnetisiert sich.“

Das Phänomen des Spin-Flips tritt innerhalb eines Elements in der Probe auf, wenn die Spins ihre Ausrichtung von oben nach unten und umgekehrt ändern. Im Gegensatz dazu finden Spinübertragungen innerhalb mehrerer Elemente statt, in diesem Fall Kobalt und Mangan, da sie Spins untereinander übertragen, wodurch jedes Material im Laufe der Zeit mehr oder weniger magnetisch wird.

Durch das Verständnis, welche Effekte bei welchen Energieniveaus und zu welchen Zeiten vorherrschen, konnten die Forscher besser verstehen, wie Spins manipuliert werden können, um Materialien stärkere magnetische und elektronische Eigenschaften zu verleihen.

„Es gibt dieses Konzept der Spintronik, das die Elektronik nutzt, die wir derzeit haben, und statt nur die Ladung des Elektrons zu nutzen, nutzen wir auch den Spin des Elektrons“, erläuterte Ryan. „Spintronik verfügt also auch über eine magnetische Komponente. Der Grund für die Verwendung von Spin anstelle elektronischer Ladung besteht darin, dass dadurch Geräte mit weniger Widerstand und geringerer thermischer Erwärmung entstehen könnten, wodurch Geräte schneller und effizienter werden.“

Durch die Arbeit mit Elhanoty und ihren anderen Mitarbeitern gewann das JILA-Team einen tieferen Einblick in die Spindynamik innerhalb von Heusler-Verbindungen.

Ryan sagte: „Es war wirklich lohnend, eine so gute Übereinstimmung mit der Theorie und dem Experiment zu sehen, die auch aus dieser wirklich engen und produktiven Zusammenarbeit resultierte.“

Die JILA-Forscher hoffen, diese Zusammenarbeit bei der Untersuchung anderer Verbindungen fortzusetzen, um besser zu verstehen, wie Licht zur Manipulation von Spinmustern genutzt werden kann.