超短激光脉冲探秘超快退磁，让信息处理更高效

新材料本应使信息处理更加有效，例如通过超快自旋电子器件，用更少的能量输入存储数据。但是到目前为止，还存在一个巨大的挑战亟待超越——那就是超快退磁的微观机制还没有完全弄清楚。

通常，研究退磁过程是通过向样品发送超短激光脉冲，从而加热样品，然后分析系统在前几皮秒（ picoseconds）内是如何演化的。

实验过程中保持样品恒温的发光灯丝。来源：HZB

该研究的主要作者Régis Decker博士解释道：“我们的方法与传统方式有极大不同。在光谱采集过程中，我们将样品保持在一定的温度。在特定的不同温度下进行观察。在用镍和铁镍做的实验中，从-120℃到450℃不等，甚至高达1000℃。这使我们能够量化每个温度下声子对超快退磁的影响，其中晶格、电子和自旋子系统的温度随时间演变。

XES光谱获得的(a) 镍(b) 铜角动量转移率。(c)是从(a)中的拟合速率推导出的动量转移寿命。

镍的温度相关XES图

换句话说，通过将系统置于某个温度，我们在超短激光脉冲之后的给定时间捕获晶格的特定状况和环境，并在那里进行精准测量。”

元素钆（Gadolinium）有4f和5d电子轨道，这两个轨道都有助于它的磁性。温度越高，晶体样品振动得越多。正如物理学家所说——当声子数量逐渐增加，由于电子与晶格声子的散射，自旋翻转就越有可能发生。

4f衰变特征的温度依赖性。(a)在室温下获得的Gd N5边缘能量区的RIXS图。143.5 eV（白色竖线）激发能对应于(c)中所示的光谱。(b)在总电子产额模式下测量的对应RIXS能量区的吸收光谱。(c)在激发能获得的RIXS频谱。(d)6P、6D和6G多重峰的面积与温度的函数关系。

利用非弹性X射线散射(RIXS)的方法，物理学家不仅能够确定给定温度下声子的数量，而且能够区分声子与4f电子和5d电子之间的相互作用。使用严格的X射线光谱对称性选择规则，该评估成功地区分了4f和5d电子的散射率。

数据表明，局部4f电子与声子之间几乎没有任何散射，但大部分散射过程发生在5d电子与声子之间，因此自旋翻转也只发生在那里。

Decker补充道：“我们的方法证明，众所周知的超快退磁的主要触发因素之一——电子-声子散射只适用于5d电子。有趣的是，它还显示了温度阈值的存在，该阈值取决于材料。低于该阈值，该机制不会发生。这表明在较低温度下存在另一种微观机制”。

来源：Spin-lattice angular momentum transfer of localized and valence electrons in the demagnetization transient state of gadolinium，Applied Physics Letters，

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