Cuando se expone a intensos pulsos de láser, la magnetización de un material se puede manipular muy rápidamente. Fundamentalmente, la magnetización está relacionada con el momento angular de los electrones en el material. Un equipo de investigadores dirigido por científicos del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI) ahora ha podido seguir el flujo del momento angular durante la desmagnetización óptica ultrarrápida en una aleación ferrimagnética de hierro-gadolinio con gran detalle. para comprender los procesos fundamentales y sus límites de velocidad. Los resultados fueron publicados en Cartas de revisión física .

Cuando cambia la magnetización de un cuerpo ferromagnético, comienza a rotar; esta conexión entre la magnetización y el momento angular se observó en un experimento de Einstein y de Haas en 1915. Este fenómeno se produce porque a nivel microscópico, La magnetización está intrínsecamente ligada al momento angular de los electrones. A diferencia de Einstein y de Haas en ese momento, Los físicos ahora saben que tanto el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo atómico como su espín generan la magnetización. De hecho, en un sólido ferromagnético, el giro genera la mayor parte de la magnetización. Cuando se conserva el momento angular, Por tanto, un cambio en la magnetización debe ir acompañado de un cambio de otras formas de momento angular en el sistema; en el Experimento de Einstein-de Haas, esta fue la rotación resultante de un imán suspendido después de que se cambió su magnetización. A nivel microscópico, es el movimiento correspondiente de los átomos lo que constituye el depósito final de momento angular.

La iluminación con un pulso de láser ultracorto es un medio para desmagnetizar un material muy rápido, para los ferromagnetos prototípicos de hierro, cobalto y níquel, por ejemplo, la magnetización se extingue en aproximadamente un picosegundo (10 ^-12 segundos) después de que el pulso láser haya golpeado el material. Los investigadores se han preguntado a través de qué canales se transfiere el momento angular asociado con la magnetización a otros depósitos durante el poco tiempo disponible.

Los científicos de MBI en Berlín, junto con científicos de Helmholtz Zentrum Berlin y Nihon University, Japón, pudieron seguir este flujo de momento angular en detalle para una aleación de hierro-gadolinio. En este material ferrimagnético, Los átomos adyacentes de hierro (Fe) y gadolinio (Gd) tienen magnetización con dirección opuesta. Los investigadores utilizaron pulsos de rayos X ultracortos para controlar la absorción de rayos X polarizados circularmente por los átomos de Fe y Gd en función del tiempo después de la excitación láser previa. Este enfoque es único porque permite rastrear el momento magnético durante la desmagnetización ultrarrápida en ambos tipos de átomos individualmente. Adicionalmente, es posible distinguir el momento angular almacenado en el movimiento orbital frente al giro de los electrones cuando se analizan los respectivos espectros de absorción.

A través de esta visión detallada de rayos X, los científicos encontraron que el proceso de desmagnetización de los átomos de Gd en la aleación es significativamente más rápido que en el Gd puro. Sin embargo, esto no se debe a un intercambio de momento angular entre los diferentes tipos de átomos, a pesar de su alineación antiparalela. "Entendemos la respuesta acelerada de Gd como consecuencia de las altísimas temperaturas generadas entre los electrones dentro de la aleación, "dice Martin Hennecke, el primer autor del estudio.

Curiosamente, tampoco se pudo detectar una "reorganización" del momento angular entre el giro y el movimiento orbital de los electrones cuando se siguió la desmagnetización inducida por láser con una resolución temporal de aproximadamente 100 femtosegundos (10 ^-13 segundos), esto es cierto localmente en todos los átomos de Fe y Gd. Entonces, ¿cómo fluye el momento angular? "Obviamente, todo el momento angular se transfiere completamente a la red atómica, ", dice Hennecke." De acuerdo con las predicciones teóricas recientes, el momento angular de espín se transfiere primero al movimiento orbital en el mismo átomo a través de la interacción espín-órbita, pero no podemos ver que se acumule allí, ya que se está moviendo directamente hacia la red atómica ". Recientemente se ha predicho teóricamente que este último proceso es tan rápido como un femtosegundo, y los experimentos detallados ahora confirman que este último paso de transferencia no es de hecho un cuello de botella en el flujo general del momento angular.

Dado que los pulsos de láser cortos también se pueden utilizar para cambiar permanentemente la magnetización y, por lo tanto, escribir bits para la grabación de datos magnéticos, La comprensión de la dinámica de estos mecanismos fundamentales es de relevancia para desarrollar nuevos enfoques para escribir datos en medios de almacenamiento masivo de datos mucho más rápido de lo que es posible en la actualidad.