Gli scienziati hanno rivelato come le vibrazioni e gli spin del reticolo comunicano tra loro in un'eccitazione ibrida nota come elettromagnone. Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato una combinazione unica di esperimenti con il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. La comprensione di questo processo fondamentale a livello atomico apre le porte al controllo ultraveloce del magnetismo con la luce.
All'interno del reticolo atomico di un solido, le particelle e le loro varie proprietà cooperano in movimenti ondulatori noti come eccitazioni collettive. Quando gli atomi in un reticolo oscillano insieme, l'eccitazione collettiva è nota come fonone. Allo stesso modo, quando gli spin atomici (la magnetizzazione degli atomi) si muovono insieme, si parla di magnon.
La situazione si fa più complessa. Alcune di queste eccitazioni collettive comunicano tra loro nelle cosiddette eccitazioni ibride. Una di queste eccitazioni ibride è un elettromagnone. Gli elettromagnoni prendono il nome dalla capacità di eccitare gli spin atomici utilizzando il campo elettrico della luce, a differenza dei magnoni convenzionali:una prospettiva entusiasmante per numerose applicazioni tecniche. Eppure la loro vita segreta a livello atomico non è ben compresa.
Si sospetta che durante un elettromagnone, gli atomi nel reticolo si muovano e gli spin oscillino in un'eccitazione che è essenzialmente una combinazione di un fonone e un magnone. Tuttavia, da quando sono stati proposti per la prima volta nel 2006, è stato misurato solo il movimento di rotazione. Il modo in cui si muovono gli atomi all'interno del reticolo, ammesso che si muovano, è rimasto un mistero. Quindi capisce anche come i due componenti comunicano tra loro.
Ora, in una sofisticata serie di esperimenti presso il laser svizzero a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, i ricercatori del PSI hanno aggiunto questi pezzi mancanti al puzzle. "Con una migliore comprensione di come funzionano queste eccitazioni ibride, ora possiamo iniziare a esaminare le opportunità per manipolare il magnetismo su una scala temporale ultraveloce", spiega Urs Staub, capo del gruppo di microscopia e magnetismo del PSI, che ha guidato lo studio.
Nei loro esperimenti allo SwissFEL, i ricercatori hanno utilizzato un impulso laser terahertz per indurre un elettromagnone in un cristallo di esaferrite multiferroica. Usando esperimenti di diffrazione di raggi X risolti nel tempo, hanno poi scattato istantanee ultraveloci di come gli atomi e gli spin si muovevano in risposta all’eccitazione. In questo modo, hanno dimostrato che gli atomi all'interno del reticolo si muovono davvero in un elettromagnone e hanno rivelato come l'energia viene trasferita tra il reticolo e lo spin.
Un risultato sorprendente del loro studio è stato che gli atomi si muovono per primi, mentre gli spin si muovono leggermente più tardi. Quando l'impulso terahertz colpisce il cristallo, il campo elettrico spinge gli atomi in movimento, dando inizio alla parte fononica dell'elettromagnone. Questo movimento crea un campo magnetico efficace che successivamente muove gli giri.
"I nostri esperimenti hanno rivelato che l'eccitazione non sposta direttamente gli spin. In precedenza non era chiaro se fosse così", spiega Hiroki Ueda, scienziato della linea di luce presso SwissFEL e primo autore della pubblicazione.
Andando oltre, il team potrebbe anche quantificare quanta energia la componente fononica acquisisce dall’impulso terahertz e quanta energia acquisisce la componente magnonica attraverso il reticolo. "Si tratta di un'informazione importante per le future applicazioni in cui si cerca di pilotare il sistema magnetico", aggiunge Ueda.
La chiave della loro scoperta è stata la capacità di misurare sia i movimenti atomici che gli spin in esperimenti complementari di diffrazione di raggi X risolti nel tempo sulle linee di luce di raggi X duri e molli di SwissFEL.
Utilizzando raggi X duri presso la stazione sperimentale Bernina, il team ha studiato il movimento degli atomi all'interno del reticolo. La configurazione recentemente sviluppata della stazione sperimentale, comprese camere campione appositamente progettate, consente misurazioni ultraveloci uniche utilizzando campi terahertz nei solidi a temperature molto basse.
Per studiare il movimento degli spin, il team ha utilizzato raggi X molli, che sono più sensibili ai cambiamenti nei sistemi magnetici. Questi esperimenti sono stati condotti presso la stazione sperimentale Furka, recentemente entrata in funzione degli utenti. Sintonizzando l'energia dei raggi X su una risonanza nel materiale, hanno potuto concentrarsi specificamente sul segnale proveniente dagli spin, informazioni che solitamente sono mascherate.
"La sola misurazione della parte fononica al Bernina è stata un grande passo avanti. Poter accedere anche al movimento magnetico con Furka è una possibilità sperimentale che non esiste quasi in nessun'altra parte del mondo", commenta Staub.
Ueda, Staub e colleghi hanno fornito una comprensione dell'origine microscopica di un elettromagnone. Questa comprensione è importante non solo per questo processo fisico ma in un senso più generale.
Le interazioni fondamentali tra reticolo e spin sono alla base di molti effetti fisici che danno origine a proprietà materiali insolite e potenzialmente molto utili:ad esempio la superconduttività ad alta temperatura. Solo con una migliore comprensione di tali effetti si ottiene il controllo.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications .
Ulteriori informazioni: Hiroki Ueda et al, Dinamica di non equilibrio dell'accoppiamento spin-reticolo, Comunicazioni naturali (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43581-9
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Istituto Paul Scherrer
