相對(duì)于內(nèi)部過(guò)渡金屬(主要由鑭系元素組成)，稀土磁性受局部4f電子支配，并且不能通過(guò)光學(xué)激光脈沖直接激發(fā)。結(jié)果，與元素周期表中的其他元素相比，稀土金屬的超快退磁涉及一個(gè)獨(dú)特的過(guò)程。在稀土金屬退磁期間，研究人員涉及了磁振子的激發(fā)，準(zhǔn)磁子是一種準(zhǔn)粒子，被視為量化的自旋波。在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的新報(bào)告中，B。Frietsch和德國(guó)，瑞典和捷克共和國(guó)的物理學(xué)，天文學(xué)，數(shù)學(xué)和超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域的多學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，解開(kāi)了5d6s和4f價(jià)帶磁矩的超快動(dòng)力學(xué)。鋱(Tb)的金屬使用時(shí)間分辨光電子能譜?；谌ゴ诺慕Y(jié)果，他們通過(guò)軌道動(dòng)量建立了4f自旋與晶格結(jié)構(gòu)的耦合，從而提供了驅(qū)動(dòng)具有強(qiáng)磁各向異性的技術(shù)材料中磁化動(dòng)力學(xué)的基本機(jī)制。

了解超快速旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象

凝聚態(tài)物理的基本目的是了解強(qiáng)非平衡條件下超快自旋現(xiàn)象的性質(zhì)。當(dāng)研究人員使用飛秒光脈沖激發(fā)材料時(shí)，價(jià)電子在激光脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)被推離平衡。價(jià)電子通常駐留在締合原子的外殼中，并且可以參與化學(xué)鍵。在系統(tǒng)達(dá)到激發(fā)電子，晶格和自旋系統(tǒng)之間熱平衡的時(shí)間范圍內(nèi)，介質(zhì)會(huì)短暫經(jīng)歷非平衡的瞬態(tài)。在此狀態(tài)下可能會(huì)發(fā)生以前未知的現(xiàn)象，迄今為止在磁性系統(tǒng)的熱平衡下尚未記錄。

因此，自旋系統(tǒng)獨(dú)特的非平衡行為為理解飛秒激光激發(fā)后驅(qū)動(dòng)磁化動(dòng)力學(xué)的電子，聲子和自旋之間的決定性耦合提供了機(jī)會(huì)?？茖W(xué)家先前已經(jīng)建立了鎳的超快退磁方法，甚至提出了相對(duì)于稀土金屬的自旋-晶格耦合機(jī)制。在這項(xiàng)工作中，F(xiàn)rietsch等人。鋱稀土制備的薄膜金屬以10納米厚為角分辨光電子能譜(ARPES)的實(shí)驗(yàn)中，在那里它們結(jié)合的高次諧波生成(HHG)束線(xiàn)用超高真空端站 使用近紅外(NIR)激光器作為泵浦脈沖，并以諧波作為探測(cè)脈沖來(lái)了解自旋現(xiàn)象。

了解鐵磁二色性

科學(xué)家在角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)中使用了磁線(xiàn)性二向色性(MLD)，這與磁光Kerr效應(yīng)相當(dāng)。MLD信號(hào)與熱平衡期間的樣品磁化強(qiáng)度成正比。當(dāng)他們比較Tb的低和高自旋分量的磁性線(xiàn)性二向色性時(shí)，他們沒(méi)有觀(guān)察到顯著差異。為了了解鋱磁化的動(dòng)態(tài)，因此，科學(xué)家們比較了在5D和4F的時(shí)刻之前報(bào)道的結(jié)果釓(Gd)-另一種稀土金屬。Frietsch等。實(shí)驗(yàn)使磁系統(tǒng)失去平衡，并結(jié)合了價(jià)帶交換分裂和磁線(xiàn)性二向色性的測(cè)量結(jié)果，以了解5d和4f自旋的動(dòng)力學(xué)。當(dāng)他們比較兩種稀土金屬Gd和Tb中5d和4f矩的軌道分辨動(dòng)力學(xué)時(shí)，與Gd的5d自旋子系統(tǒng)相比，光激發(fā)似乎對(duì)Tb更快，更有效。

自旋聲子耦合

為了進(jìn)一步了解研究中揭示的定性意見(jiàn)，研究小組使用了軌道分辨自旋模型分析了磁化動(dòng)力學(xué)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)rietsch等人。利用電子系統(tǒng)的熱漲落和聲子熱浴激發(fā)了5d和4f自旋動(dòng)力學(xué)。他們通過(guò)將整個(gè)4f自旋子系統(tǒng)耦合到聲子系統(tǒng)來(lái)確定兩種金屬的磁化動(dòng)力學(xué)。強(qiáng)自旋聲子耦合在Tb中支持超快速飛秒(每秒1萬(wàn)億分之一秒)動(dòng)力學(xué)，而弱自旋聲子耦合導(dǎo)致Gd中4f磁矩的皮秒動(dòng)力學(xué)(每秒1萬(wàn)億分之一秒)更慢。

相比之下，該團(tuán)隊(duì)注意到5d磁矩在兩種金屬中均顯示出超快響應(yīng)，因?yàn)樵谶@種情況下，價(jià)帶電子與4f系統(tǒng)耦合并被激光脈沖直接激發(fā)。因此，Tb的5d磁矩幾乎與金屬更大的4f磁矩的超快動(dòng)力學(xué)相平行。兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)力矩的非共線(xiàn)排列表示5d和4f自旋子系統(tǒng)的激發(fā)程度不同。自旋動(dòng)力學(xué)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)工作吻合。

結(jié)果

通過(guò)這種方式，泵浦探針測(cè)量顯示出稀土(Tb)和g(Gd)稀土金屬的超快退磁動(dòng)力學(xué)有很大不同。同時(shí)，Tb中的5d自旋矩和局部4f矩表現(xiàn)出非常相似的衰減常數(shù)。Tb和Gd之間的特殊行為使研究人員能夠通過(guò)軌道動(dòng)量將4f自旋耦合到晶格，從而確定超快磁化動(dòng)力學(xué)的基本機(jī)制，從而導(dǎo)致了超快磁振子的激發(fā)。為了進(jìn)一步了解他們的工作，研究小組將結(jié)果與以前的消磁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。

B. Frietsch及其同事使用時(shí)間分辨和角度分辨光電子能譜記錄了價(jià)帶交換分裂和4f磁性線(xiàn)性二向色性，以了解兩種稀土金屬(Tb和Gd)的根本不同的自旋動(dòng)力學(xué)。結(jié)果突出了晶格相互作用，這是理解稀土金屬微觀(guān)尺度光學(xué)轉(zhuǎn)換的決定性成分。