وبلاگ

در اعماق هر تکه ماده مغناطیسی، الکترون ها با آهنگ نامرئی مکانیک کوانتومی می رقصند. چرخش آنها، شبیه به نوک اتمی کوچک، رفتار مغناطیسی موادی را که در آنها زندگی می کنند، دیکته می کند. این باله میکروسکوپی سنگ بنای پدیده های مغناطیسی است، و این چرخش هایی است که تیمی از محققان JILA – به سرپرستی JILA Fellows و استادان دانشگاه کلرادو بولدر مارگارت مورنان و هنری کاپتین – آموخته اند که با دقت قابل توجهی کنترل کنند و به طور بالقوه آینده را دوباره تعریف کنند. الکترونیک و ذخیره سازی داده ها

که در پیشرفت علمی انتشارتیم JILA – به همراه همکارانی از دانشگاه‌های سوئد، یونان و آلمان – دینامیک اسپین را در یک ماده خاص به نام ترکیب Heusler بررسی کردند: مخلوطی از فلزات که به‌عنوان یک ماده مغناطیسی عمل می‌کند.

برای این مطالعه، محققان از ترکیبی از کبالت، منگنز و گالیم استفاده کردند که به عنوان رسانایی برای الکترون‌هایی که اسپین‌هایشان به سمت بالا هستند و یک عایق برای الکترون‌هایی که اسپین‌هایشان به سمت پایین هستند، عمل می‌کند.

با استفاده از نوعی نور به نام فرابنفش شدید تولید هارمونیک بالا (EUV HHG) به عنوان یک کاوشگر، محققان می توانند جهت گیری مجدد چرخش های داخل ترکیب را پس از تحریک آن با آن ردیابی کنند. لیزر فمتوثانیهکه باعث شد نمونه خواص مغناطیسی خود را تغییر دهد. کلید تفسیر دقیق جهت‌گیری‌های چرخشی، توانایی تنظیم رنگ نور پروب EUV HHG بود.

سیناد رایان، یکی از نویسندگان و دانشجوی فارغ التحصیل JILA توضیح داد: «در گذشته، مردم این تنظیم رنگ HHG را انجام نمی دادند. به طور معمول، دانشمندان سیگنال را تنها در چند رنگ مختلف، شاید حداکثر یک یا دو رنگ در هر عنصر مغناطیسی اندازه‌گیری می‌کنند.» در یک قدم تاریخی، تیم JILA کاوشگر نور EUV HHG خود را از طریق تشدید مغناطیسی هر عنصر در ترکیب تنظیم کرد تا تغییرات چرخش را به نزدیکترین فمتوثانیه (یک چهار میلیاردم ثانیه) ردیابی کنید.

رایان توضیح داد: «علاوه بر آن، ما شار لیزری تحریک را نیز تغییر دادیم، بنابراین میزان قدرتی که برای دستکاری چرخش‌ها استفاده می‌کردیم را تغییر می‌دادیم،» و اشاره کرد که این مرحله همچنین اولین مرحله آزمایشی برای این نوع تحقیقات است.

همراه با رویکرد جدید خود، محققان با نظریه‌پرداز و نویسنده همکار، محمد الخانوتی از دانشگاه اوپسالا، که از JILA بازدید کرد، برای مقایسه مدل‌های نظری تغییرات اسپین با داده‌های تجربی خود همکاری کردند. نتایج آنها تناسب قوی بین داده ها و نظریه را نشان می دهد. رایان افزود: “ما احساس کردیم که استاندارد جدیدی را با توافق بین تئوری و آزمایش تعیین کرده ایم.”

تنظیم دقیق انرژی نور

محققان برای بررسی دینامیک چرخشی ترکیب هوسلر خود، ابزاری نوآورانه را به روی میز آوردند: کاوشگرهای فرابنفش شدید با هارمونیک بالا. برای تولید کاوشگرها، محققان نور لیزر 800 نانومتری را در لوله ای پر از گاز نئون متمرکز کردند، جایی که میدان الکتریکی لیزر، الکترون ها را از اتم هایشان دور می کرد و سپس آنها را به عقب می راند.

هنگامی که الکترون ها به عقب برگشتند، مانند نوارهای لاستیکی آزاد شده پس از کشش عمل کردند و انفجارهای بنفش نور را با فرکانس (و انرژی) بالاتر نسبت به لیزری که آنها را به بیرون پرتاب کرد، ایجاد کردند. رایان این انفجارها را تنظیم کرد تا با انرژی کبالت و منگنز موجود در نمونه طنین انداز شود و دینامیک چرخش خاص عنصر و رفتار مغناطیسی در ماده را اندازه‌گیری کند، که تیم می‌توانست آن‌ها را بیشتر دستکاری کند.

مسابقه جلوه های چرخشی

از آزمایش خود، محققان دریافتند که با تنظیم قدرت لیزر تحریک و رنگ (یا انرژی فوتون) کاوشگر HHG خود، می‌توانند تعیین کنند که کدام اثرات اسپین در زمان‌های مختلف در ترکیب خود غالب است. آنها اندازه گیری های خود را با یک مجتمع مقایسه کردند مدل محاسباتی نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان (TD-DFT) نامیده می شود. این مدل پیش‌بینی می‌کند که چگونه ابری از الکترون‌ها در یک ماده معین زمانی که در معرض ورودی‌های مختلف قرار می‌گیرد، لحظه به لحظه تکامل می‌یابد.

با استفاده از چارچوب TD-DFT، Elhanoty توافق بین مدل و داده های تجربی را به دلیل سه اثر اسپین رقابتی در ترکیب Heusler پیدا کرد.

رایان توضیح داد: «آنچه او در تئوری دریافت این بود که معکوس‌های اسپین در مقیاس‌های زمانی اولیه کاملاً غالب بودند و سپس انتقال‌های اسپین غالب‌تر شدند». سپس، با گذشت زمان، اثرات مغناطیس زدایی بیشتری اعمال می شود و نمونه مغناطیس زدایی می شود.

پدیده معکوس چرخش در یک عنصر در نمونه رخ می دهد زیرا چرخش ها جهت خود را از بالا به پایین و بالعکس تغییر می دهند. برعکس، انتقال اسپین در چندین عنصر، در این مورد کبالت و منگنز، رخ می دهد، زیرا آنها اسپین را به یکدیگر منتقل می کنند و باعث می شوند هر ماده در طول زمان کم و بیش مغناطیسی شود.

درک اینکه کدام اثرات در چه سطوح و زمان‌های انرژی غالب هستند به محققان این امکان را داد تا درک بهتری داشته باشند که چگونه می‌توان اسپین‌ها را دستکاری کرد تا مواد مغناطیسی و قوی‌تری به مواد بدهند. خواص الکترونیکی.

رایان توضیح داد: «این مفهوم از اسپینترونیک وجود دارد که الکترونیکی را که در حال حاضر در اختیار داریم، می گیرد و به جای استفاده از بار الکترون، از اسپین الکترون نیز استفاده می کنیم. “بنابراین اسپینترونیک یک جزء مغناطیسی نیز دارد. دلیل استفاده از اسپین به جای بار الکترون این است که می تواند دستگاه هایی با مقاومت کمتر و گرمایش حرارتی کمتر ایجاد کند و دستگاه ها را سریعتر و کارآمدتر کند.”

تیم JILA از کار با Elhanoty و دیگر همکارانشان، بینش عمیق تری از دینامیک چرخشی در ترکیبات Heusler به دست آورد.

رایان گفت: دیدن چنین تطابق خوب با تئوری و آزمایش و از این همکاری بسیار نزدیک و سازنده واقعاً ممتاز بود.

محققان JILA امیدوارند این همکاری را در مطالعه سایر ترکیبات ادامه دهند تا درک بهتری داشته باشند که چگونه می توان از نور برای دستکاری الگوهای چرخش استفاده کرد.