相對于內部過渡金屬(主要由鑭系元素組成)，稀土磁性受局部4f電子支配，并且不能通過光學激光脈沖直接激發(fā)。結果，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獨特的過程。在稀土金屬退磁期間，研究人員涉及了磁振子的激發(fā)，準磁子是一種準粒子，被視為量化的自旋波。在現在發(fā)表在《科學進展》上的新報告中，B。Frietsch和德國，瑞典和捷克共和國的物理學，天文學，數學和超級計算領域的多學科科學家團隊，解開了5d6s和4f價帶磁矩的超快動力學。鋱(Tb)的金屬使用時間分辨光電子能譜?；谌ゴ诺慕Y果，他們通過軌道動量建立了4f自旋與晶格結構的耦合，從而提供了驅動具有強磁各向異性的技術材料中磁化動力學的基本機制。

了解超快速旋轉現象

凝聚態(tài)物理的基本目的是了解強非平衡條件下超快自旋現象的性質。當研究人員使用飛秒光脈沖激發(fā)材料時，價電子在激光脈沖的持續(xù)時間內被推離平衡。價電子通常駐留在締合原子的外殼中，并且可以參與化學鍵。在系統(tǒng)達到激發(fā)電子，晶格和自旋系統(tǒng)之間熱平衡的時間范圍內，介質會短暫經歷非平衡的瞬態(tài)。在此狀態(tài)下可能會發(fā)生以前未知的現象，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)獨特的非平衡行為為理解飛秒激光激發(fā)后驅動磁化動力學的電子，聲子和自旋之間的決定性耦合提供了機會?？茖W家先前已經建立了鎳的超快退磁方法，甚至提出了相對于稀土金屬的自旋-晶格耦合機制。在這項工作中，Frietsch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)的實驗中，在那里它們結合的高次諧波生成(HHG)束線用超高真空端站 使用近紅外(NIR)激光器作為泵浦脈沖，并以諧波作為探測脈沖來了解自旋現象。

了解鐵磁二色性

科學家在角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)中使用了磁線性二向色性(MLD)，這與磁光Kerr效應相當。MLD信號與熱平衡期間的樣品磁化強度成正比。當他們比較Tb的低和高自旋分量的磁性線性二向色性時，他們沒有觀察到顯著差異。為了了解鋱磁化的動態(tài)，因此，科學家們比較了在5D和4F的時刻之前報道的結果釓(Gd)-另一種稀土金屬。Frietsch等。實驗使磁系統(tǒng)失去平衡，并結合了價帶交換分裂和磁線性二向色性的測量結果，以了解5d和4f自旋的動力學。當他們比較兩種稀土金屬Gd和Tb中5d和4f矩的軌道分辨動力學時，與Gd的5d自旋子系統(tǒng)相比，光激發(fā)似乎對Tb更快，更有效。

自旋聲子耦合

為了進一步了解研究中揭示的定性意見，研究小組使用了軌道分辨自旋模型分析了磁化動力學。在實驗過程中，Frietsch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自旋動力學。他們通過將整個4f自旋子系統(tǒng)耦合到聲子系統(tǒng)來確定兩種金屬的磁化動力學。強自旋聲子耦合在Tb中支持超快速飛秒(每秒1萬億分之一秒)動力學，而弱自旋聲子耦合導致Gd中4f磁矩的皮秒動力學(每秒1萬億分之一秒)更慢。

相比之下，該團隊注意到5d磁矩在兩種金屬中均顯示出超快響應，因為在這種情況下，價帶電子與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磁矩的超快動力學相平行。兩個現場力矩的非共線排列表示5d和4f自旋子系統(tǒng)的激發(fā)程度不同。自旋動力學的仿真數據與實驗工作吻合。

結果

通過這種方式，泵浦探針測量顯示出稀土(Tb)和g(Gd)稀土金屬的超快退磁動力學有很大不同。同時，Tb中的5d自旋矩和局部4f矩表現出非常相似的衰減常數。Tb和Gd之間的特殊行為使研究人員能夠通過軌道動量將4f自旋耦合到晶格，從而確定超快磁化動力學的基本機制，從而導致了超快磁振子的激發(fā)。為了進一步了解他們的工作，研究小組將結果與以前的消磁實驗進行了比較。

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