超短激光脉冲揭开超快退磁“面纱”，有望开发高速数据存储设备

新材料的利用，往往能够达成让信息处理更高效的目的——例如，通过超快自旋电子设备，我们能以更少的能量输入存储数据。但遗憾的是到目前为止，科学界还未完全弄清楚超快退磁的微观机制。

通常情况下，研究消磁/退磁过程的方法主要是通过向样品发送一个超短激光脉冲，从而加热它，然后分析系统在之后的第一皮秒内如何演变。

而来自德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)的一组研究人员，则使用了与以往不同的方法。在光谱采集过程中，他们将样品保持在一定的温度——钆（Gd）的温度从-120℃到450℃，而镍（Ni）和铁镍（FeNi）的实验温度要高得多(1000℃)。这使他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而变化。

图源：亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)

该研究的主要作者Régis Decker博士解释称：“通过将系统置于一定温度下，我们在超短激光脉冲后的给定时间捕获当时的晶格条件，并对此进行精准测量。”

钆检查

元素钆（Gadolinium）有4f和5d的电子轨道，这两个轨道都有助于增强它的铁磁性。温度越高，晶体样品振动得越多——正如物理学家所言：声子的分布越多，由于电子与声子从晶格中散射而发生自旋翻转的可能性就越大。

散射率的区分

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

5d电子与声子相互作用

数据表明，局域4f电子与声子之间几乎没有散射，但散射过程大多发生在5d电子与声子之间，因此只发生自旋翻转。

研究人员们表示，上述方法证明，超快退磁的主要触发因素之一——电子-声子散射，通常只适用于5d电子，而4f电子散射对声子布居率没有影响。有趣的是，它还显示了存在一个温度阈值，这取决于材料，低于这个阈值就不会发生这种机制。正如理论预测的那样，这表明在较低温度下存在另一种微观机制。

图1：温度依赖性的4f衰减特征。

图2：温度依赖性的5d衰减光谱特征。

研究人员们分别给出了钆的局域4f电子和流动5d电子的温度依赖性el-ph散射率。他们根据静态X射线发射光谱的特征，随温度的变化而推导出速率。该实验方法建立在核-孔时钟（core-hole）方法之上，其中核-孔寿命作为参考来确定发生在X过程中间状态的散射等事件的时间尺度。

他们发现：一方面，与4f电子衰变相关的特征与温度无关；另一方面，与5d电子衰变相关的发射峰强度降低。

研究人员们将这些观测结果解释为4f电子没有el-ph散射，而5d电子的el-ph散射率随温度而增强。

上述测量也表明存在一个阈值温度的el-ph 5d电子散射。我们将这个阈值与5d交换能量联系起来，必须克服这个阈值才能触发el-ph散射，低于这个阈值则会失效。

上述对钆的研究是在镍、铁镍合金研究基础上完成的一系列微观实验，相关研究结果对开发超高速数据存储设备具有一定的指导意义，带来更高效的信息处理。