Hace más de 100 años, Albert Einstein y Wander Johannes de Haas descubrieron que cuando usaban un campo magnético para cambiar el estado magnético de una barra de hierro que colgaba de un hilo, la barra comenzó a girar.

Ahora, los experimentos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han visto por primera vez lo que sucede cuando los materiales magnéticos se desmagnetizan a velocidades ultrarrápidas de millonésimas de mil millonésimas de segundo:los átomos en la superficie del material se mueven, al igual que lo hizo la barra de hierro. La obra, hecho en el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, fue publicado en Naturaleza a principios de este mes.

Christian Dornes, científico de ETH Zurich en Suiza y uno de los autores principales del informe, dice que este experimento muestra cómo la desmagnetización ultrarrápida va de la mano con lo que se conoce como efecto Einstein-de Haas, resolviendo un antiguo misterio en el campo.

"Aprendí sobre estos fenómenos en mis clases, pero ver de primera mano que la transferencia del momento angular realmente hace que algo se mueva mecánicamente es realmente genial, "Dice Dornes. Ser capaz de trabajar en la escala atómica de esta manera y ver relativamente directamente lo que sucede habría sido un sueño total para los grandes físicos de hace cien años".

Mar giratorio de patinadores

A escala atómica, un material debe su magnetismo a sus electrones. En fuertes imanes, el magnetismo proviene de una propiedad cuántica de los electrones llamada espín. Aunque el espín del electrón no implica una rotación literal del electrón, el electrón actúa de alguna manera como una pequeña bola de carga giratoria. Cuando la mayoría de los giros apuntan en la misma dirección, como un mar de patinadores sobre hielo haciendo piruetas al unísono, el material se vuelve magnético.

Cuando la magnetización del material se invierte con un campo magnético externo, la danza sincronizada de los patinadores se convierte en un frenesí frenético, con bailarines girando en todas direcciones. Su momento angular neto, que es una medida de su movimiento de rotación, cae a cero cuando sus giros se cancelan entre sí. Dado que el momento angular del material debe conservarse, se convierte en rotación mecánica, como demostró el experimento de Einstein-de Haas.

Gira y grita

En 1996, Los investigadores descubrieron que zapping un material magnético con un intenso, El pulso láser ultrarrápido lo desmagnetiza casi instantáneamente, en una escala de tiempo de femtosegundos. Ha sido un desafío comprender qué sucede con el momento angular cuando esto ocurre.

En este papel, los investigadores utilizaron una nueva técnica en LCLS combinada con mediciones realizadas en ETH Zurich para vincular estos dos fenómenos. Demostraron que cuando un pulso láser inicia la desmagnetización ultrarrápida en una película delgada de hierro, el cambio en el momento angular se convierte rápidamente en una patada inicial que conduce a la rotación mecánica de los átomos en la superficie de la muestra.

Según Dornes, Una conclusión importante de este experimento es que, aunque el efecto solo es aparente en la superficie, sucede a lo largo de toda la muestra. A medida que el momento angular se transfiere a través del material, los átomos en la mayor parte del material intentan torcerse pero anularse entre sí. Es como si una multitud de personas apiñadas en un tren intentaran girar al mismo tiempo. Así como solo las personas marginadas tendrían la libertad de moverse, solo los átomos de la superficie del material pueden girar.

Raspando la superficie

En su experimento, los investigadores volaron la película de hierro con pulsos de láser para iniciar la desmagnetización ultrarrápida, luego lo rozó con intensos rayos X en un ángulo tan superficial que era casi paralelo a la superficie. Utilizaron los patrones formados cuando los rayos X se dispersaron de la película para aprender más sobre dónde va el momento angular durante este proceso.

"Debido al ángulo poco profundo de los rayos X, nuestro experimento fue increíblemente sensible a los movimientos a lo largo de la superficie del material, "dice Sanghoon Song, uno de los tres científicos de SLAC que participaron en la investigación. "Esto fue clave para ver el movimiento mecánico".

Para dar seguimiento a estos resultados, Los investigadores harán más experimentos en LCLS con muestras más complicadas para descubrir con mayor precisión qué tan rápida y directamente el momento angular escapa a la estructura. Lo que aprendan conducirá a mejores modelos de desmagnetización ultrarrápida, lo que podría ayudar en el desarrollo de dispositivos controlados ópticamente para el almacenamiento de datos.

Steven Johnson, un científico y profesor en ETH Zurich y el Paul Scherrer Institute en Suiza que codirigió el estudio, dice que la experiencia del grupo en áreas fuera del magnetismo les permitió abordar el problema desde un ángulo diferente, posicionarlos mejor para el éxito.

"Ha habido numerosos intentos previos de otros grupos para entender esto, pero fallaron porque no optimizaron sus experimentos para buscar estos pequeños efectos, "Dice Johnson." Fueron abrumados por otros efectos mucho mayores, como el movimiento atómico debido al calor del láser. Nuestro experimento fue mucho más sensible al tipo de movimiento que resulta de la transferencia del momento angular ".