Comprendere la manipolazione ultraveloce e la dinamica degli spin nei materiali magnetici è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi e tecnologie spintronici di prossima generazione. Le dinamiche di spin guidate dal laser nei ferrimagneti, che sono materiali magnetici composti da due o più sottoreticoli magnetici con diversi momenti magnetici, offrono approfondimenti unici sui meccanismi fondamentali che governano il trasferimento del momento angolare e i processi di rilassamento in questi materiali.

Quando un materiale ferrimagnetico è sottoposto ad un intenso impulso laser, l'interazione tra la luce laser e il sistema elettronico del materiale può indurre diversi fenomeni di dinamica di spin. Queste dinamiche possono comportare la precessione degli spin attorno a un campo magnetico efficace, la generazione e la propagazione delle onde di spin e il trasferimento del momento angolare tra diversi sottoreticoli magnetici.

Un aspetto chiave per comprendere la dinamica degli spin guidati dal laser è tracciare il flusso del momento angolare all’interno del materiale ferrimagnetico. Diversi meccanismi contribuiscono al trasferimento e al rilassamento del momento angolare:

1. Eccitazione diretta e trasferimento: Dopo l'assorbimento dei fotoni laser, gli elettroni nel ferrimagnete possono essere eccitati a stati energetici più elevati. Ciò può portare al trasferimento del momento angolare dagli elettroni eccitati ai momenti magnetici degli atomi, provocandone la precessione. Gli spin in precessione poi interagiscono con gli spin vicini, trasferendo momento angolare attraverso interazioni di scambio.

2. Effetto Faraday inverso: L'effetto Faraday inverso è un fenomeno in cui la luce polarizzata circolarmente può indurre un cambiamento di magnetizzazione in un materiale. Nei ferrimagneti, l'assorbimento della luce polarizzata circolarmente può eccitare selettivamente gli spin in un sottoreticolo magnetico lasciando inalterato l'altro sottoreticolo. Ciò può comportare un trasferimento netto di momento angolare tra i sottoreticoli.

3. Accoppiamento spin-orbita: L'accoppiamento spin-orbita si riferisce all'interazione tra lo spin e il momento angolare orbitale degli elettroni. Nei ferrimagneti, l'accoppiamento spin-orbita può portare al trasferimento del momento angolare tra gli spin e il reticolo, influenzando la dinamica dei momenti magnetici.

4. Pompaggio a rotazione: Il pompaggio di spin è un processo in cui gli spin vengono pompati da uno strato magnetico a un altro a causa di una corrente di spin indotta dalla precessione. Nei ferrimagneti, il pompaggio di spin può verificarsi tra diversi sottoreticoli magnetici o tra il ferrimagnete e uno strato non magnetico adiacente, portando al trasferimento del momento angolare tra queste regioni.

5. Dispersione Magnon-Magnon: La diffusione magnon-magnon si riferisce alle interazioni e alla diffusione delle onde di spin all'interno di un materiale magnetico. Queste interazioni possono portare allo scambio di energia e momento angolare tra diversi magnoni, influenzando la dinamica complessiva dello spin.

Comprendere il flusso del momento angolare nella dinamica degli spin guidati dal laser è essenziale per manipolare e controllare le proprietà magnetiche dei ferrimagneti su scale temporali ultraveloci. Ottenendo il controllo su queste dinamiche, diventa possibile realizzare nuovi dispositivi spintronici con prestazioni e funzionalità migliorate, come interruttori magnetici ultraveloci, porte logiche basate sullo spin e oscillatori spintronici.