强烈的激光可以在固体中感应出阿秒级的磁性——这是迄今为止最快的磁性响应。这是德国理论物理学家们得出的发现,他们使用先进的模拟研究了几种2D和3D材料的磁化过程。计算表明,在重原子结构中,激光脉冲引发的快速电子动力学可以转化为阿秒磁性。这项工作已发表在《npj计算材料》(“强飞秒激光驱动的非磁性材料中的阿秒磁化动力学”)上。
该团队专注于几个基准2D和3D材料系统,但结果适用于所有包含重原子成分的材料。主要作者解释道:“重原子尤其重要,因为它们会引发强烈的自旋轨道相互作用,这种相互作用是将光诱导的电子运动转化为自旋极化的关键,换句话说,转化为磁性。否则,光就不会与电子的自旋相互作用。
就像微小的罗盘针一样,电子也可以被想象为有一个指向空间中某个方向的内部针,例如“向上”或“向下”,即自旋。每个电子的自旋方向取决于其周围的化学环境,例如它可以看到哪些原子以及其他电子在哪里。在非磁性材料中,电子在所有方向上的自旋相等。相反,当单个电子的自旋相互对准指向同一方向时,材料就会变得有磁性。
理论家们开始研究当固体与强烈的线性偏振激光脉冲相互作用时会发生什么磁现象,这种激光脉冲通常会在物质内部以非常快的时间尺度加速电子。科学家们说:“这些条件很有吸引力,因为当激光脉冲具有线性偏振时,人们通常认为它们不会产生任何磁性。”
出乎意料的是,他们的模拟表明,这些特别强大的激光确实会磁化材料,即使磁性是瞬态的——它只会持续到激光脉冲关闭。然而,最引人注目的发现与这一过程的速度有关:磁化在极短的时间尺度上演变,不到500阿秒——这是有史以来最快的磁响应预测。就规模而言,一个阿秒相比于1秒,就像1秒相比于320亿年一样。
该团队使用先进的模拟工具来解释潜在的机制,表明强光会来回翻转电子的自旋。激光在几百阿秒的空间内有效地加速了圆形轨道上的电子,这些强大的轨道相互作用自旋方向对齐。这个过程可以想象成一个保龄球在滚动,然后开始滚动:在这个例子中就是光推动球旋转,自旋-轨道相互作用(电子绕着它旋转时,附近的重核产生的力)使球来回滚动,使其磁化。这两种力共同作用,使球滚动。
科学家们说,这些结果为磁化的基本原理提供了令人着迷的新理论:“我们发现这是一种高度非线性的效应,可以通过激光的特性进行调节。这些结果暗示,尽管不能明确证明,磁性的极限速度是几十阿秒,因为这是电子运动的自然速度极限。”在一系列材料的基本水平上理解这些光致磁化过程是发展超快存储器件的关键一步,并改变了目前对磁性的理解。

打开网易新闻 查看精彩图片