Fig. 1:Semplice immagine dei serbatoi di elettroni di atomi magnetici in una lega CoPt. In Cobalto (Co), il numero di elettroni spin-down (rosso) attorno agli atomi di Co è significativamente inferiore a quello degli elettroni spin-up (blu). Di conseguenza, lo spazio disponibile per assorbire ulteriori elettroni con spin-down è maggiore. Attivato dall'eccitazione ottica, gli elettroni spin-down possono essere trasferiti dal platino (Pt) ai siti Co (processo OISTR), che riempie il rispettivo serbatoio e porta alla smagnetizzazione in Co. Agli atomi di Pt, a causa dell'elevata forza di accoppiamento spin-orbita, efficienti spin-flip possono essere osservati già nei primi 10-100 femtosecondi dopo l'eccitazione ottica, equilibrando rapidamente il numero di elettroni spin-down e spin-up. Credito:Fig. MBI
Combinando esperimento e teoria, i ricercatori del Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) e del Max Planck Institute of Microstructure Physics hanno districato come gli impulsi laser possono manipolare la magnetizzazione tramite il trasferimento ultraveloce di elettroni tra gli atomi.
Pellicole nanometriche di materiali magnetici sono substrati di prova ideali per studiare problemi fondamentali nel magnetismo. Questi film magnetici sottili hanno importanti applicazioni tecnologiche, Per esempio, sono utilizzati nei dispositivi di archiviazione dati di massa magnetici utilizzati nei centri di archiviazione dati cloud. Nella tecnologia attuale, la magnetizzazione in questi film sottili viene manipolata tramite campi magnetici, ma è anche possibile influenzare la magnetizzazione mediante impulsi laser. Quando esposto a impulsi di luce ultracorti della durata di poche decine di femtosecondi (1 femtosecondo =1 milionesimo di miliardesimo di secondo), la magnetizzazione al di sotto del punto laser cambia. Nei sistemi semplici, questo cambiamento corrisponde spesso ad una semplice diminuzione della grandezza di magnetizzazione. In sistemi materiali più complessi, però, l'impulso luminoso può anche invertire permanentemente la magnetizzazione. In tali casi, gli scienziati parlano di commutazione della magnetizzazione completamente ottica con ovvie potenziali applicazioni. La notevole velocità di questo processo di commutazione non è ancora stata compresa. Per questa ragione, gruppi di ricerca di tutto il mondo stanno studiando i processi microscopici alla base del femtomagnetismo.
Ricercatori del Max Born Institute di Berlino e del Max Planck Institute for Microstructure Physics di Halle, combinando lavoro sperimentale e teorico, hanno ora assistito a un nuovo processo microscopico, chiamato trasporto ottico intersito di spin (OISTR), che è stato previsto solo di recente. Il processo può verificarsi quando atomi adatti di tipi diversi sono adiacenti in un solido. In condizioni adeguate, un impulso luminoso innesca uno spostamento di elettroni da un atomo al suo vicino. È importante sottolineare che questo accade prevalentemente con elettroni di un particolare orientamento di spin, e quindi influenza la magnetizzazione locale. Questo processo avviene durante l'eccitazione ottica e non dipende da meccanismi secondari. È, perciò, il processo più veloce immaginabile che porta a un cambiamento nel magnetismo indotto dalla luce.
Si può immaginare che un atomo in un solido magnetizzato abbia serbatoi separati di elettroni spin-up e spin-down, che sono riempiti in misura diversa. Per un atomo di cobalto (Co) e platino (Pt) che sono vicini l'uno all'altro in una lega CoPt, questo è abbozzato nella Figura 1. La differenza nel numero di elettroni spin-up e spin-down (disegnati in rosso e blu) determina la quantità di magnetizzazione dell'atomo. Se la magnetizzazione è ridotta, il numero dei due tipi di spin deve essere uguale. Un noto processo per livellare entrambi i serbatoi in un atomo è uno spin-flip, in quale, Per esempio, un elettrone con spin-down si trasforma in un elettrone con spin-up, rappresentato da un salto dal secchio blu nel secchio rosso nella Figura 1. Questi spin-flip si verificano prevalentemente in atomi pesanti come Pt, dove lo spin reagisce in modo particolarmente sensibile al movimento dell'elettrone, i fisici parlano di un grande accoppiamento spin-orbita. Il momento angolare emesso in questo processo di spin-flip viene assorbito dall'intera schiera di atomi nel solido.
Fig. 2:Variazioni ultrarapide misurate (a) e calcolate (b) dell'assorbimento dipendente dall'elicità alla risonanza del Co a un'energia del fotone di 60,3 eV per un film di Co (giallo) e una lega CoPt (blu). La radiazione polarizzata circolarmente destra sonda principalmente i cambiamenti relativi nelle occupazioni degli elettroni spin-down. La riduzione dell'assorbimento è di conseguenza una misura diretta di un riempimento ultraveloce ed efficiente degli stati di spin-down non occupati di Co. Questo riempimento avviene tramite elettroni spin-down trasferiti otticamente provenienti da Pt. Credito:MBI
In questo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno studiato due sistemi modello, uno strato di Co puro e una lega CoPt. Il team ha monitorato l'assorbimento di impulsi ultracorti di raggi X molli con lunghezza d'onda e polarizzazione controllate dopo l'eccitazione di un impulso laser e ha confrontato i risultati sperimentali con i calcoli teorici, come mostrato nella Figura 2. In questo modo, i cambiamenti nel numero di elettroni con spin-up e spin-down innescati dall'impulso laser iniziale potrebbero essere studiati separatamente per gli atomi di Co e Pt.
Il confronto tra il sistema semplice contenente esclusivamente atomi di Co (pannelli a sinistra in Figura 2) e la lega, contenenti atomi di Co e Pt (pannelli a destra) mostra differenze pronunciate nel comportamento di assorbimento, che sono previste indipendentemente dai calcoli teorici. Queste differenze si verificano poiché nella lega CoPt può aver luogo un processo aggiuntivo in cui gli elettroni vengono trasferiti tra i diversi tipi di atomi vicini.
A causa dell'impulso laser, gli elettroni all'interno del solido vengono trasferiti dagli atomi di Pt agli atomi di Co. Si scopre che questi sono preferenzialmente elettroni spin-down, perché molti stati vuoti per gli elettroni spin-down sono disponibili nel sito Co ricevente. All'atomo di Co, gli elettroni trasferiti, così, aumentare il livello degli elettroni spin-down (rosso in Figura 2), rendendolo più simile al serbatoio di spin-up e quindi riducendo il momento magnetico dell'atomo di Co. Questo processo OISTR tra Pt e Co è accompagnato da un livellamento dei serbatoi di elettroni localmente agli atomi di Pt tramite spin flip. Questo spin-flip avviene in modo efficiente agli atomi di Pt pesanti che mostrano un grande accoppiamento spin-orbita e solo in misura molto minore agli atomi di Co più leggeri.
I risultati dettagliati dello studio mostrano che la capacità di manipolare otticamente la magnetizzazione tramite il trasporto ottico di spin tra siti dipende in modo cruciale dagli stati disponibili per gli elettroni con spin-up e spin-down degli atomi coinvolti. Questi stati possono essere adattati riunendo i giusti tipi di atomi in nuovi materiali. La comprensione dei meccanismi microscopici coinvolti nella manipolazione ottica della magnetizzazione, così, apre la strada ad una progettazione razionale di nuovi materiali magnetici funzionali, consentendo un controllo ultrarapido della magnetizzazione tramite impulsi laser.
