В слоистых магнитных материалах обнаружено необычное сверхбыстрое движение

Открытие было вдохновлено экспериментами Эйнштейна и де Хааса.

Магнитные материалы уже давно являются предметом исследований того, как микроскопическая конфигурация спинов приводит к необычным свойствам на макроскопическом масштабе длины. Одним из таких примеров является эффект Эйнштейна-де Гааса в ферромагнетиках, который позволяет преобразовать угловой момент спинов в механическое вращение всего предмета. Однако до сих пор неясно, как спиновое упорядочение связывает макроскопическое движение в антиферромагнетиках без суммарного магнитного момента.

В новом исследовании группа исследователей из Аргонны и других национальных лабораторий и университетов США сообщает об аналогичном, но другом эффекте в «анти»-ферромагнетике. В этом эксперименте исследователи использовали спин электрона, чтобы вызвать механический отклик в цилиндре, макроскопическом объекте.

Например, в антиферромагнетиках спины электронов чередуются сверху вниз между соседними электронами, а не всегда направлены вверх. Антиферромагнетики не реагируют на изменения магнитного поля, как ферромагнетики, поскольку их противоположные спины нейтрализуют друг друга.

Хайдан Вэнь, физик из отделов материаловедения и рентгеновских исследований Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), сказал: «Вопрос, который мы задали себе, заключается в том, может ли спин электрона вызвать реакцию в антиферромагнетике, которая отличается от но по духу похоже на вращение цилиндра в эксперименте Эйнштейна-де Хасса?»

Чтобы дать ответ на этот вопрос, исследователи создали образец антиферромагнетика трисульфида фосфора железа (FePS3). Каждый слой образца, состоящего из нескольких слоев FePS3, имел толщину всего несколько атомов. FePS3 уникален для обычного магнита, поскольку он имеет слоистую структуру с очень слабым взаимодействием между слоями.

Вэнь сказал: «Мы разработали серию подтверждающих экспериментов, в которых мы воздействовали сверхбыстрыми лазерными импульсами на этот слоистый материал и измеряли результирующие изменения в свойствах материала с помощью оптических, рентгеновских и электронных импульсов».

Исследователи обнаружили, что импульсы изменяют магнитные свойства материала, смешивая упорядоченную ориентацию спинов электронов. Вместо систематического чередования вверх и вниз стрелки спина электрона теперь дезорганизованы.

Нух Гедик, профессор физики Массачусетского технологического института (MIT), сказал: «Это перемешивание спина электронов приводит к механическому отклику во всем образце. Поскольку взаимодействие между слоями слабое, один слой образца может скользить вперед и назад относительно соседнего слоя».

Время колебаний этого движения чрезвычайно мало — от 10 до 100 пикосекунд. Пикосекунда определяется как одна триллионная секунды. Свет перемещается всего на треть миллиметра за одну пикосекунду из-за того, как быстро это происходит.

Необходимо научное оборудование мирового класса для измерения образцов с пространственным разрешением атомного масштаба и временным разрешением пикосекундного масштаба. Для этого ученые использовали современные сверхбыстрые зонды, которые анализируют атомные структуры с помощью электронных и рентгеновских лучей.

В первых экспериментах использовалось мегаэлектронвольтное оборудование для дифракции сверхбыстрых электронов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, и они были вдохновлены оптическими измерениями в Вашингтонском университете. На установке дифракции сверхбыстрых электронов Массачусетского технологического института были проведены дополнительные исследования. Эти результаты были дополнены работой на каналах 11-BM и 7-ID в Усовершенствованном источнике фотонов (APS) и установке сверхбыстрой электронной микроскопии в Центре наноразмерных материалов (CNM). В Аргонне CNM и APS являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.

Многослойный антиферромагнетик также испытывает влияние спина электрона на время, превышающее пикосекунды. В более ранней работе с использованием оборудования APS и CNM члены команды обнаружили, что колебательные движения слоев значительно замедляются в тот момент, когда спины электронов переключаются с неупорядоченного на упорядоченное поведение.