Quanto velocemente un magnete può cambiare il suo orientamento, e quali sono i meccanismi microscopici in gioco? Un team HZB a BESSY II ha, per la prima volta, valutato sperimentalmente il principale processo microscopico del magnetismo ultraveloce. La metodologia sviluppata a questo scopo può essere utilizzata anche per studiare le interazioni tra spin e oscillazioni reticolari nel grafene, superconduttori o altri materiali quantistici.

Le interazioni tra elettroni e fononi sono considerate la forza motrice microscopica alla base dei processi di magnetizzazione o smagnetizzazione ultraveloci (spin flip). Però, non è stato possibile fino ad ora osservare in dettaglio tali processi ultraveloci a causa dell'assenza di metodi adeguati.

Ora, un team guidato dal prof. Alexander Föhlisch ha sviluppato un metodo originale per determinare sperimentalmente la velocità di diffusione spin-flip guidata da elettrone-fonone in due sistemi modello:nichel ferromagnetico e rame non magnetico. Hanno usato la spettroscopia di emissione di raggi X (XES) a BESSY II per farlo. I raggi X hanno eccitato gli elettroni del nucleo nei campioni (Ni o Cu) per creare i cosiddetti buchi del nucleo, che sono stati poi riempiti dal decadimento degli elettroni di valenza. Questo decadimento provoca l'emissione di luce, che possono poi essere rilevati e analizzati. I campioni sono stati misurati a diverse temperature per osservare gli effetti delle vibrazioni del reticolo (fononi) che aumentano dalla temperatura ambiente a 900 gradi Celsius.

All'aumentare della temperatura, il nichel ferromagnetico ha mostrato una forte diminuzione delle emissioni. Questa osservazione si adatta bene alla simulazione teorica dei processi nella struttura elettronica a bande del nichel dopo le eccitazioni:aumentando la temperatura e quindi, la popolazione fononica, la velocità di diffusione tra elettroni e fononi aumenta. Gli elettroni sparsi non sono più disponibili per il decadimento, che si traduce in una diminuzione dell'emissione luminosa. Come previsto, nel caso del rame diamagnetico, le vibrazioni del reticolo hanno avuto scarsa influenza sulle emissioni misurate.

"Crediamo che il nostro articolo sia di grande interesse non solo per gli specialisti nei campi del magnetismo, proprietà elettroniche dei solidi e spettroscopia di emissione di raggi X, ma anche a un pubblico più ampio curioso degli ultimi sviluppi in questo dinamico campo di ricerca, " dice il dottor Régis Decker, primo autore e scienziato post-dottorato nel team Föhlisch. Il metodo può essere utilizzato anche per l'analisi di processi di spin flip ultraveloci in nuovi materiali quantistici come il grafene, superconduttori o isolanti topologici.