Ultrasnabb avmagnetisering genom ögonblicklig generering av spinnvågor

2024-02-02

När ett ferromagnetiskt material, till exempel järn, bestrålas med laserpulser på femtosekundsnivån sker en ultrasnabb avmagnetisering. Men exakt vad denna avmagnetisering beror på har varit en gåta under många år. Ny forskning visar att icke-termiska spinnvågsexcitationer kan förklara den snabba avmagnetiseringen.

Redan för 25 år sedan observerade forskare att magnetismen hos ett ferromagnetiskt material, det vill säga ett material med magnetiskt moment som inte är noll, förändras när materialet bestrålades med en laserpuls på cirka 50 femtosekunder (10-15 s). Materialet avmagnetiseras på mindre än 200 femtosekunder, men hittills har man inte kunnat förklara vilken mekanism som gett upphov till denna ultrasnabba magnetiseringsförlust.

Figur 1: Magnonernas energi i järnmaterialet visas för vågvektorer i reciproka rummet. Färgerna visar temperaturen på magnontillstånd vid elektron-magnon-excitation. Laserpulsen träffar elektronerna vid tidpunkten t = 0 och kurvorna visar hur magnonernas temperatur förändras med tiden.​ Bild: Markus Weißenhofer.

Man vet sedan tidigare att när ferromagnetiska metaller bestrålas med korta laserpulser påverkar det dynamiken av elektroner, gittervibrationer och spinnvågor, så att dessa inte längre är i jämvikt i materialet. Dessutom förlorar elektronerna sina spinnmoment, men det är okänd vart spinnmomentet tar vägen.

Uppsalafysikerna Markus Weißenhofer och Peter Oppeneer har nu utvecklat en teori, där varken spinnvågor eller elektroner är i jämvikt, för att beskriva överföringen av energi och spinnmoment mellan elektroner och kvantiserade spinnvågor, så kallade magnoner.

I studien har forskarna gjort simuleringar där en laserpuls överför energi till elektronerna som i sin tur överför både överskottsenergi från laserexcitationen och spinnmoment till olika magnoner. I den nya teorin beskrivs de snabba spinnvågsexcitationer som därefter sker genom kollisioner mellan elektroner och magnoner då energi överförs från elektronerna i magnonerna.

Simuleringarna i studien genomfördes med första principer-beräkningar, det vill säga utan justerbara parametrar. Genom noggranna simuleringar av den ultrasnabba laserinducerade dynamiken i järn, visade forskarna att magnonerna i materialet får olika temperatur, det vill säga att de är icke-termiska.

Dämpningen av spinnvågorna visade sig dessutom bli starkt beroende av magnonens våglängd och kan inte längre beskrivas inom någon av de mest kända standardmodellerna (Landaus, Lifshitz och Gilberts modell), för spinndynamik.

Figur 2: Jämförelse mellan teori och experiment för den ultrasnabba förlusten av magnetisering M av en järnfilm vid laserexcitation vid t = 0. Kurvorna visar den ultrasnabba avmagnetiseringen beräknad med den nya teorin och symbolerna ger experimentella data för två olika laserintensiteter. Bild: Markus Weißenhofer.

Studien förklarar de experimentella observationerna noggrant vilket innebär att teorin tydliggör att det är spinnvågsexcitationer som är den mekanismen som orsakar ultrasnabb avmagnetisering inom 200 femtosekunder efter laserpulsen träffat materialet. Resultaten publicerades i tidskriften Advanced Physics Research.

Artikelreferens

Ultrafast Demagnetization Through Femtosecond Generation of Non-Thermal Magnons. Markus Weißenhofer and Peter Oppeneer, Advanced Physics Research 2300103 (2024); published January 10, 2024. DOI: https://doi.org/10.1002/apxr.202300103

Senast uppdaterad: 2023-08-04