Quando esposto a intensi impulsi laser, la magnetizzazione di un materiale può essere manipolata molto velocemente. Fondamentalmente, la magnetizzazione è collegata al momento angolare degli elettroni nel materiale. Un team di ricercatori guidati da scienziati del Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) è stato ora in grado di seguire con grande dettaglio il flusso del momento angolare durante la smagnetizzazione ottica ultraveloce in una lega ferrimagnetica di ferro-gadolinio, per comprendere i processi fondamentali e i loro limiti di velocità. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Quando la magnetizzazione di un corpo ferromagnetico cambia, inizia a ruotare:questa connessione tra la magnetizzazione e il momento angolare è stata osservata in un esperimento di Einstein e de Haas nel 1915. Questo fenomeno si verifica perché a livello microscopico, la magnetizzazione è intrinsecamente legata al momento angolare degli elettroni. A differenza di Einstein e de Haas all'epoca, i fisici ora sanno che sia il movimento orbitale dell'elettrone attorno al nucleo atomico sia il suo spin generano la magnetizzazione. Infatti, in un solido ferromagnetico, lo spin genera la parte del leone della magnetizzazione. Quando si conserva il momento angolare, un cambiamento nella magnetizzazione deve quindi essere accompagnato da un cambiamento di altre forme di momento angolare nel sistema:nell'Esperimento di Einstein-de Haas, questa era la rotazione risultante di un magnete sospeso dopo che la sua magnetizzazione era stata cambiata. A livello microscopico, è il corrispondente moto degli atomi che costituisce il serbatoio finale del momento angolare.

L'illuminazione con un impulso laser ultracorto è un mezzo per smagnetizzare un materiale molto velocemente:per i prototipi ferromagneti ferro, cobalto e nichel, Per esempio, la magnetizzazione si spegne entro circa un picosecondo (10 ^-12 secondi) dopo che l'impulso laser ha colpito il materiale. I ricercatori si sono chiesti attraverso quali canali il momento angolare associato alla magnetizzazione viene trasferito ad altri serbatoi durante il breve tempo a disposizione.

Gli scienziati dell'MBI di Berlino, insieme agli scienziati dell'Helmholtz Zentrum Berlin e della Nihon University, Giappone, sono stati in grado di seguire in dettaglio questo flusso di momento angolare per una lega ferro-gadolinio. In questo materiale ferrimagnetico, atomi di ferro (Fe) e gadolinio (Gd) adiacenti hanno magnetizzazione con direzione opposta. I ricercatori hanno utilizzato impulsi a raggi X ultracorti per monitorare l'assorbimento dei raggi X polarizzati circolarmente da parte degli atomi di Fe e Gd in funzione del tempo dopo la precedente eccitazione laser. Questo approccio è unico in quanto consente di tracciare il momento magnetico durante la smagnetizzazione ultraveloce su entrambi i tipi di atomi individualmente. Inoltre, è possibile distinguere il momento angolare immagazzinato nel moto orbitale rispetto allo spin degli elettroni quando si analizzano i rispettivi spettri di assorbimento.

Attraverso questa dettagliata visione a raggi X, gli scienziati hanno scoperto che il processo di smagnetizzazione degli atomi di Gd nella lega è significativamente più veloce rispetto al Gd puro. Però, ciò non è dovuto ad uno scambio di momento angolare tra i diversi tipi di atomi, nonostante il loro allineamento antiparallelo. "Comprendiamo la risposta accelerata del Gd come conseguenza delle temperature molto elevate generate tra gli elettroni all'interno della lega, "dice Martin Hennecke, il primo autore dello studio.

interessante, non è stato possibile rilevare un "rimpasto" del momento angolare tra lo spin e il movimento orbitale degli elettroni anche dopo la smagnetizzazione indotta dal laser con una risoluzione temporale di circa 100 femtosecondi (10 ^-13 secondi):questo è vero localmente per tutti gli atomi di Fe e Gd. Quindi come scorre il momento angolare? "Ovviamente, tutto il momento angolare è completamente trasferito al reticolo atomico, " dice Hennecke. "In linea con le recenti previsioni teoriche, il momento angolare di spin viene prima trasferito al moto orbitale nello stesso atomo tramite l'interazione spin-orbita, ma non possiamo vederlo accumularsi lì poiché si sta spostando direttamente sul reticolo atomico." Recentemente è stato teoricamente previsto che quest'ultimo processo sia veloce come un femtosecondo, e gli esperimenti dettagliati ora confermano che quest'ultimo passaggio di trasferimento non è davvero un collo di bottiglia nel flusso complessivo del momento angolare.

Dato che brevi impulsi laser possono essere utilizzati anche per commutare permanentemente la magnetizzazione e quindi scrivere bit per la registrazione di dati magnetici, la conoscenza delle dinamiche di questi meccanismi fondamentali è importante per sviluppare nuovi approcci per scrivere dati su supporti di archiviazione di massa molto più velocemente di quanto sia possibile oggi.