在每块磁性材料的深处，电子随着量子力学的无形曲调起舞。它们的自旋类似于微小的原子顶部，决定了它们所居住的材料的磁性行为。这种微观芭蕾舞是磁现象的基石，由JILA研究员和科罗拉多大学博尔德分校教授MargaretMurnane和HenryKapteyn领导的JILA研究人员团队已经学会了以惊人的精度控制这些旋转，这可能会重新定义磁性材料的未来。电子和数据存储。

在《科学进展》出版物中，JILA团队与瑞典、希腊和德国大学的合作者一起，探讨了一种称为赫斯勒化合物的特殊材料中的自旋动力学：一种金属混合物，其行为类似于单一磁性材料。

在这项研究中，研究人员利用了钴、锰和镓的化合物，它充当自旋向上排列的电子的导体，以及自旋向下排列的电子的绝缘体。

使用一种称为极紫外高次谐波产生(EUVHHG)的光作为探针，研究人员可以在用飞秒激光激发化合物后追踪化合物内部自旋的重新定向，这会导致样品改变其磁性。特性。准确解释自旋重新定向的关键是能够调整EUVHHG探测光的颜色。

“过去，人们没有对HHG进行过这种颜色调整，”联合第一作者、JILA研究生SinéadRyan解释道。“通常，科学家只测量几种不同颜色的信号，每个磁性元件最多可能有一种或两种颜色。”JILA团队首次在化合物内每个元素的磁共振上调整了EUVHHG光探针，以精确到飞秒(万亿分之一秒)的速度跟踪自旋变化。

“最重要的是，我们还改变了激光激发注量，因此我们改变了用于操纵自旋的功率，”瑞安解释道，并强调这一步骤也是此类研究的实验性首次。

除了他们的新颖方法外，研究人员还与访问JILA的乌普萨拉大学理论家兼共同第一作者MohamedElhanoty合作，将自旋变化的理论模型与实验数据进行比较。他们的结果显示数据和理论之间有很强的一致性。“我们认为我们已经根据理论和实验之间的一致性设定了一个新标准，”瑞安补充道。

微调光能

为了深入研究赫斯勒化合物的自旋动力学，研究人员带来了一种创新工具：极紫外高次谐波探针。为了制造探针，研究人员将800纳米激光聚焦到充满氖气的管子中，激光电场将电子从原子中拉开，然后将它们推回原处。

当电子弹回时，它们就像被拉伸后释放的橡皮筋一样，以比将它们踢出的激光更高的频率(和能量)产生紫色光。瑞安调整了这些爆发，使其与样品中钴和锰的能量产生共振，测量了团队可以进一步操纵的材料内特定元素的自旋动力学和磁性行为。

自旋效应竞赛

通过实验，研究人员发现，通过调整激发激光的功率和HHG探针的颜色(或光子能量)，他们可以确定化合物中不同时间的自旋效应占主导地位。他们将测量结果与称为时间相关密度泛函理论(TD-DFT)的复杂计算模型进行了比较。该模型预测材料中的电子云在暴露于各种输入时将如何不断演化。

使用TD-DFT框架，由于Heusler化合物内的三种相互竞争的自旋效应，Elhanoty发现模型与实验数据之间存在一致性。

“他在理论中发现，自旋翻转在早期时间尺度上占据主导地位，然后自旋转移变得更加占主导地位，”瑞安解释道。“然后，随着时间的推移，更多的去磁效应开始发挥作用，样品就会去磁。”

自旋翻转现象发生在样品中的一个元素内，因为自旋将其方向从上转向下，反之亦然。相比之下，自旋转移发生在多个元素内，在这种情况下是钴和锰，因为它们在彼此之间传递自旋，导致每种材料随着时间的推移变得或多或少具有磁性。

了解哪些效应在哪些能级和时间上占主导地位，使研究人员能够更好地了解如何操纵自旋，从而赋予材料更强大的磁和电子特性。

“这是自旋电子学的概念，它采用我们目前拥有的电子器件，我们不仅使用电子的电荷，还使用电子的自旋，”瑞安解释道。“因此，自旋电子学也有磁性成分。使用自旋而不是电子电荷的原因是它可以创造电阻更小、发热更少的设备，使设备更快、更高效。”

通过与Elhanoty和其他合作者的合作，JILA团队对Heusler化合物中的自旋动力学有了更深入的了解。

瑞安说：“看到理论和实验如此一致，这也是来自这种非常密切和富有成效的合作，这真的很值得。”

JILA研究人员希望继续合作研究其他化合物，以更好地了解如何利用光来操纵自旋模式。

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