超短激光脈衝探秘超快退磁，讓信息處理更高效

新材料本應使信息處理更加有效，例如通過超快自旋電子器件，用更少的能量輸入存儲數據。但是到目前為止，還存在一個巨大的挑戰亟待超越——那就是超快退磁的微觀機製還沒有完全弄清楚。

通常，研究退磁過程是通過向樣品發送超短激光脈衝，從而加熱樣品，然後分析係統在前幾皮秒（ picoseconds）內是如何演化的。

實驗過程中保持樣品恒溫的發光燈絲。來源：HZB

該研究的主要作者Régis Decker博士解釋道：“我們的方法與傳統方式有極大不同。在光譜采集過程中，我們將樣品保持在一定的溫度。在特定的不同溫度下進行觀察。在用鎳和鐵鎳做的實驗中，從-120℃到450℃不等，甚至高達1000℃。這使我們能夠量化每個溫度下聲子對超快退磁的影響，其中晶格、電子和自旋子係統的溫度隨時間演變。

XES光譜獲得的(a) 鎳(b) 銅角動量轉移率。(c)是從(a)中的擬合速率推導出的動量轉移壽命。

鎳的溫度相關XES圖

換句話說，通過將係統置於某個溫度，我們在超短激光脈衝之後的給定時間捕獲晶格的特定狀況和環境，並在那裏進行精準測量。”

元素釓（Gadolinium）有4f和5d電子軌道，這兩個軌道都有助於它的磁性。溫度越高，晶體樣品振動得越多。正如物理學家所說——當聲子數量逐漸增加，由於電子與晶格聲子的散射，自旋翻轉就越有可能發生。

4f衰變特征的溫度依賴性。(a)在室溫下獲得的Gd N5邊緣能量區的RIXS圖。143.5 eV（白色豎線）激發能對應於(c)中所示的光譜。(b)在總電子產額模式下測量的對應RIXS能量區的吸收光譜。(c)在激發能獲得的RIXS頻譜。(d)6P、6D和6G多重峰的麵積與溫度的函數關係。

利用非彈性X射線散射(RIXS)的方法，物理學家不僅能夠確定給定溫度下聲子的數量，而且能夠區分聲子與4f電子和5d電子之間的相互作用。使用嚴格的X射線光譜對稱性選擇規則，該評估成功地區分了4f和5d電子的散射率。

數據表明，局部4f電子與聲子之間幾乎沒有任何散射，但大部分散射過程發生在5d電子與聲子之間，因此自旋翻轉也隻發生在那裏。

Decker補充道：“我們的方法證明，眾所周知的超快退磁的主要觸發因素之一——電子-聲子散射隻適用於5d電子。有趣的是，它還顯示了溫度閾值的存在，該閾值取決於材料。低於該閾值，該機製不會發生。這表明在較低溫度下存在另一種微觀機製”。

來源：Spin-lattice angular momentum transfer of localized and valence electrons in the demagnetization transient state of gadolinium，Applied Physics Letters，

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