Ungewöhnliche ultraschnelle Bewegung in geschichteten magnetischen Materialien entdeckt

Die Entdeckung wurde durch die Experimente von Einstein und de Haas inspiriert.

Magnetische Materialien sind seit langem Gegenstand der Forschung darüber, wie mikroskopische Spinkonfigurationen zu ungewöhnlichen Eigenschaften auf der makroskopischen Längenskala führen. Ein Beispiel dafür ist der Einstein-de-Haas-Effekt in Ferromagneten, der es ermöglicht, den Drehimpuls von Spins in die mechanische Rotation eines gesamten Gegenstands zu übertragen. Es ist jedoch immer noch unklar, wie die Spinordnung mit der makroskopischen Bewegung in Antiferromagneten ohne magnetisches Nettomoment gekoppelt ist.

In einer neuen Studie berichtet ein Forscherteam aus Argonne und anderen US-amerikanischen Nationallabors und Universitäten nun über einen analogen, aber unterschiedlichen Effekt bei einem ​„Anti“-Ferromagneten. In diesem Experiment nutzten die Forscher den Elektronenspin, um eine mechanische Reaktion in einem Zylinder, einem makroskopischen Objekt, hervorzurufen.

In Antiferromagneten beispielsweise wechseln die Elektronenspins zwischen benachbarten Elektronen von oben nach unten, anstatt immer nach oben zu zeigen. Antiferromagnete reagieren nicht wie Ferromagnete auf Veränderungen in einem Magnetfeld, da sich ihre gegensätzlichen Spins gegenseitig aufheben.

Haidan Wen, ein Physiker in den Abteilungen Materialwissenschaften und Röntgenwissenschaften des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), sagte: „Die Frage, die wir uns gestellt haben, ist: Kann der Elektronenspin eine andere Reaktion in einem Antiferromagneten hervorrufen?“ aber im Geiste der Zylinderrotation im Einstein-de-Hass-Experiment ähnlich?“

Um eine Antwort auf diese Frage zu geben, stellten die Forscher eine Probe des antiferromagnetischen Eisen-Phosphor-Trisulfids (FePS3) her. Jede Schicht der Probe, die aus mehreren FePS3-Schichten bestand, war nur wenige Atome dick. FePS3 ist einzigartig im Vergleich zu herkömmlichen Magneten, da es in einer Schichtstruktur mit sehr schwacher Wechselwirkung zwischen den Schichten entsteht.

Wen sagte: „Wir haben eine Reihe bestätigender Experimente entworfen, bei denen wir ultraschnelle Laserpulse auf dieses Schichtmaterial geschossen und die daraus resultierenden Änderungen der Materialeigenschaften mit optischen, Röntgen- und Elektronenpulsen gemessen haben.“

Die Forscher fanden heraus, dass die Impulse die magnetischen Eigenschaften des Materials verändern, indem sie die geordnete Ausrichtung der Elektronenspins durcheinander bringen. Anstatt systematisch zwischen Auf und Ab zu wechseln, sind die Pfeile für den Elektronenspin nun ungeordnet.

Nuh Gedik, Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT), sagte: „Diese Verwirrung im Elektronenspin führt zu einer mechanischen Reaktion in der gesamten Probe.“ Da die Wechselwirkung zwischen den Schichten schwach ist, kann eine Schicht der Probe gegenüber einer benachbarten Schicht hin und her gleiten.“

Die Schwingzeit für diese Bewegung ist extrem kurz – 10 bis 100 Pikosekunden. Die Definition einer Pikosekunde ist eine Billionstelsekunde. Aufgrund der Geschwindigkeit bewegt sich Licht in einer Pikosekunde nur um einen Drittel Millimeter.

Um Proben mit einer räumlichen Auflösung im atomaren Maßstab und einer zeitlichen Auflösung im Pikosekundenbereich zu messen, sind erstklassige wissenschaftliche Einrichtungen erforderlich. Dafür setzten die Wissenschaftler hochmoderne ultraschnelle Sonden ein, die atomare Strukturen mithilfe von Elektronen- und Röntgenstrahlen analysieren.

Die frühen Experimente verwendeten die Megaelektronenvolt-Ultraschnellelektronenbeugungsausrüstung am SLAC National Accelerator Laboratory und wurden von optischen Messungen an der University of Washington inspiriert. Am ultraschnellen Elektronenbeugungsaufbau des MIT wurden zusätzliche Untersuchungen durchgeführt. Arbeiten an den 11-BM- und 7-ID-Beamlines der Advanced Photon Source (APS) und der Einrichtung für ultraschnelle Elektronenmikroskopie im Center for Nanoscale Materials (CNM) ergänzten diese Erkenntnisse. In Argonne sind CNM und APS Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

Ein mehrschichtiger Antiferromagnet erfährt auch Effekte des Elektronenspins mit einer Dauer von mehr als Pikosekunden. In einer früheren Arbeit mit APS- und CNM-Geräten fanden die Teammitglieder heraus, dass sich die schwankenden Bewegungen der Schichten um den Punkt herum deutlich verlangsamten, an dem die Elektronenspins von ungeordnetem zu geordnetem Verhalten wechselten.

Zong sagte: „Die entscheidende Entdeckung unserer aktuellen Forschung bestand darin, einen Zusammenhang zwischen Elektronenspin und Atombewegung zu finden, der speziell für die Schichtstruktur dieses Antiferromagneten gilt. Und weil sich diese Verbindung in so kurzer Zeit und auf winzigen Längenskalen manifestiert, gehen wir davon aus, dass die Fähigkeit, diese Bewegung durch Änderung des Magnetfelds oder Anlegen einer winzigen Spannung zu steuern, wichtige Auswirkungen auf nanoskalige Geräte haben wird.“

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