Fig. 1:Imagen simple de los depósitos de electrones de átomos magnéticos en una aleación de CoPt. En Cobalt (Co), el número de electrones de spin-down (rojo) alrededor de los átomos de Co es significativamente menor que el de los electrones de spin-up (azul). Como consecuencia, el espacio disponible para absorber más electrones spin-down es mayor. Activado por la excitación óptica, Los electrones de spin-down se pueden transferir desde el platino (Pt) a los sitios de Co (proceso OISTR), que llena el reservorio respectivo y conduce a la desmagnetización en Co. En los átomos de Pt, debido a la alta fuerza de acoplamiento de la órbita de giro, Se pueden observar spin-flips eficientes en los primeros 10-100 femtosegundos después de la excitación óptica, equilibrando rápidamente el número de electrones de spin-down y spin-up. Crédito:Fig. MBI
Combinando experimento y teoría, Investigadores del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI) y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras han desenredado cómo los pulsos láser pueden manipular la magnetización a través de la transferencia ultrarrápida de electrones entre átomos.
Las películas delgadas en nanómetros de materiales magnéticos son sustratos de prueba ideales para estudiar problemas fundamentales del magnetismo. Estas películas magnéticas delgadas tienen importantes aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, Se utilizan en dispositivos de almacenamiento de datos masivos magnéticos que se utilizan en centros de almacenamiento de datos en la nube. En la tecnología actual, la magnetización en estas películas delgadas se manipula a través de campos magnéticos, pero también es posible influir en la magnetización mediante pulsos de láser. Cuando se expone a pulsos de luz ultracortos de solo unas pocas decenas de femtosegundo de duración (1 femtosegundo =1 millonésima de una milmillonésima de segundo), la magnetización debajo del punto láser cambia. En sistemas simples, este cambio a menudo corresponde a una simple disminución de la magnitud de magnetización. En sistemas de materiales más complejos, sin embargo, el pulso de luz también puede invertir permanentemente la magnetización. En esos casos, los científicos hablan de conmutación de magnetización totalmente óptica con aplicaciones potenciales obvias. Aún no se comprende la notable velocidad de este proceso de conmutación. Por esta razón, Grupos de investigación de todo el mundo están investigando los procesos microscópicos que subyacen al femtomagnetismo.
Investigadores del Instituto Max Born de Berlín y del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras en Halle, combinando trabajo experimental y teórico, ahora han sido testigos de un nuevo proceso microscópico, llamado transporte óptico de espín entre sitios (OISTR), eso fue predicho solo recientemente. El proceso puede ocurrir cuando los átomos adecuados de diferentes tipos son adyacentes en un sólido. En condiciones adecuadas, un pulso de luz desencadena un desplazamiento de electrones de un átomo a su vecino. En tono rimbombante, esto sucede predominantemente con electrones de una orientación de espín particular, y así influye en la magnetización local. Este proceso tiene lugar durante la excitación óptica y no depende de mecanismos secundarios. Está, por lo tanto, el proceso más rápido imaginable que conduce a un cambio en el magnetismo inducido por la luz.
Un átomo en un sólido que está magnetizado se puede representar con depósitos separados de electrones de rotación hacia arriba y hacia abajo, que se llenan en diferente medida. Para un átomo de cobalto (Co) y platino (Pt) que son vecinos entre sí en una aleación de CoPt, esto se bosqueja en la Figura 1. La diferencia en el número de electrones de giro hacia arriba y hacia abajo (dibujados en rojo y azul) determina la cantidad de magnetización del átomo. Si la magnetización se reduce, el número de los dos tipos de giro tiene que igualar. Un proceso bien conocido para nivelar ambos depósitos en un átomo es un spin-flip, en el cual, por ejemplo, un electrón de spin-down se convierte en un electrón de spin-up, representado por un salto del cubo azul al cubo rojo en la Figura 1. Estos spin-flips ocurren predominantemente en átomos pesados como Pt, donde el espín reacciona de manera particularmente sensible al movimiento del electrón, los físicos hablan de un gran acoplamiento espín-órbita. El momento angular emitido en este proceso de giro es absorbido por toda la matriz de átomos en el sólido.
Fig. 2:Cambios ultrarrápidos medidos (a) y calculados (b) de la absorción dependiente de la helicidad en la resonancia de Co a una energía de fotón de 60,3 eV para una película de Co (amarillo) y una aleación de CoPt (azul). La radiación polarizada circularmente a la derecha sondea predominantemente los cambios relativos en las ocupaciones de los electrones de spin-down. En consecuencia, la reducción de la absorción es una medida directa de un llenado ultrarrápido y eficiente de los estados de spin-down desocupados de Co. Este llenado se produce a través de electrones de spin-down transferidos ópticamente que se originan a partir de Pt. Crédito:MBI
En el presente estudio, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores investigaron dos sistemas modelo, una capa de Co puro y una aleación de CoPt. El equipo monitoreó la absorción de pulsos ultracortos de rayos X suaves con longitud de onda y polarización controladas después de una excitación de pulso láser y comparó sus hallazgos experimentales con cálculos teóricos como se muestra en la Figura 2. De esta manera, los cambios en el número de electrones con spin-up y spin-down provocados por el pulso láser inicial podrían estudiarse por separado para los átomos de Co y Pt.
La comparación entre el sistema simple que contiene exclusivamente átomos de Co (paneles de la izquierda en la Figura 2) y la aleación, que contiene átomos de Co y Pt (paneles de la derecha) muestra diferencias pronunciadas en el comportamiento de absorción, que son predichas independientemente por los cálculos teóricos. Estas diferencias se producen porque en la aleación de CoPt puede tener lugar un proceso adicional en el que se transfieren electrones entre los diferentes tipos de átomos vecinos.
Debido al pulso láser, los electrones dentro del sólido se transfieren de los átomos de Pt a los átomos de Co. Resulta que estos son preferentemente electrones de spin-down, porque muchos estados vacíos para electrones de spin-down están disponibles en el sitio receptor de Co. En el átomo de Co, los electrones transferidos, por lo tanto, aumentar el nivel de los electrones de spin-down (rojo en la Figura 2), haciéndolo más similar al depósito de rotación y, por lo tanto, reduciendo el momento magnético del átomo de Co. Este proceso OISTR entre Pt y Co va acompañado de una nivelación de los depósitos de electrones localmente en los átomos de Pt mediante cambios de giro. Este giro de giro ocurre de manera eficiente en los átomos pesados de Pt que exhiben un gran acoplamiento de órbita de giro y solo en un grado mucho menor en los átomos de Co más ligeros.
Los resultados detallados del estudio muestran que la capacidad de manipular ópticamente la magnetización a través del transporte de espín óptico entre sitios depende de manera crucial de los estados disponibles para los electrones de espín hacia arriba y hacia abajo de los átomos involucrados. Estos estados se pueden adaptar reuniendo los tipos correctos de átomos en materiales novedosos. La comprensión de los mecanismos microscópicos involucrados en la manipulación óptica de la magnetización, por lo tanto, allana el camino hacia un diseño racional de nuevos materiales magnéticos funcionales, lo que permite un control ultrarrápido de la magnetización mediante pulsos de láser.
