Лазерный мир

Более 100 лет назад Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хаас обнаружили, что когда они использовали магнитное поле, чтобы перевернуть магнитное состояние железного стержня, свисающего с нити, стержень начал вращаться.

Теперь эксперименты в Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики впервые увидели, что происходит, когда магнитные материалы размагничиваются со сверхбыстрой скоростью, составляющей миллионные доли миллиардной доли секунды: атомы на поверхности материала движутся, как железо Бар сделал. Работа, выполненная на рентгеновском лазере с когерентным источником света (LCLS) SLAC, была опубликована в журнале Nature в начале этого месяца. Кристиан Дорнс, ученый из ETH Zurich в Швейцарии и один из ведущих авторов отчета, говорит, что этот эксперимент показывает, как сверхбыстрое размагничивание идет рука об руку с так называемым эффектом Эйнштейна-де-Хааса, решая давнюю загадку в этой области. «Я узнал об этих явлениях на своих уроках, но на самом деле воочию убедиться, что передача момента импульса действительно заставляет что-то двигаться механически, — это действительно здорово», — говорит Дорнс. «Быть способным работать на атомном уровне, как это, и относительно непосредственно видеть, что происходит, было бы полной мечтой великих физиков сотни лет назад».

Вращающееся море фигуристов

В атомном масштабе материал обязан своим магнетизмом своим электронам. В сильных магнитах магнетизм происходит от квантового свойства электронов, называемого спином. Хотя спин электрона не включает буквальное вращение электрона, электрон действует в некотором роде как крошечный вращающийся шарик заряда. Когда большинство вращений указывают в одном и том же направлении, подобно морю фигуристов, пирующих в унисон, материал становится магнитным. Когда намагниченность материала изменяется с помощью внешнего магнитного поля , синхронизированный танец фигуристов превращается в беспокойное безумие, с танцорами, вращающимися во всех направлениях. Их суммарный угловой момент, который является мерой их вращательного движения, падает до нуля, поскольку их спины компенсируют друг друга. Поскольку момент импульса материала должен быть сохранен, он превращается в механическое вращение, как продемонстрировал эксперимент Эйнштейна-де Хааса.

Твист и крик

В 1996 году исследователи обнаружили, что удар магнитного материала интенсивным, сверхбыстрым лазерным импульсом размагничивает его практически мгновенно, на фемтосекундной шкале времени.

Было непросто понять, что происходит с угловым моментом, когда это происходит. В этой статье исследователи использовали новую технику в LCLS в сочетании с измерениями, проведенными в ETH Zurich, чтобы связать эти два явления. Они продемонстрировали, что когда лазерный импульс инициирует сверхбыстрое размагничивание в тонкой железной пленке, изменение углового момента быстро преобразуется в начальный удар, который приводит к механическому вращению атомов на поверхности образца. По словам Дорнса, одним из важных выводов этого эксперимента является то, что, хотя эффект проявляется только на поверхности, он проявляется во всем образце. Поскольку момент импульса передается через материал, атомы в объеме материала пытаются скрутиться, но компенсируют друг друга. Как будто толпа людей, запакованных в поезд, пыталась повернуть одновременно. Точно так же, как только люди на краю могли бы свободно двигаться, только атомы на поверхности материала могут вращаться.

Выскабливая поверхность

В своем эксперименте исследователи взорвали железную пленку лазерными импульсами, чтобы инициировать сверхбыстрое размагничивание, а затем проверили ее интенсивным рентгеновским излучением под таким малым углом, что он был почти параллелен поверхности. Они использовали образцы, сформированные, когда рентгеновские лучи рассеивались от пленки, чтобы узнать больше о том, куда идет момент импульса во время этого процесса. «Из-за малого угла рентгеновских лучей наш эксперимент был невероятно чувствителен к движениям вдоль поверхности материала», — говорит Сангхун Сонг, один из трех ученых SLAC, которые участвовали в исследовании. «Это было ключом к наблюдению механического движения». Чтобы проконтролировать эти результаты, исследователи проведут дальнейшие эксперименты в LCLS с более сложными образцами, чтобы выяснить, как быстро и непосредственно угловой момент уходит в структуру. То, что они изучат, приведет к созданию более совершенных моделей сверхбыстрого размагничивания, которые могут помочь в разработке оптически управляемых устройств для хранения данных. Стивен Джонсон, ученый и профессор ETH Zurich и Института Пола Шеррера в Швейцарии, который был одним из руководителей исследования, говорит, что опыт группы в областях за пределами магнетизма позволил им подойти к проблеме под другим углом, лучше позиционируя их для успеха.

«Другие группы ранее предпринимали многочисленные попытки понять это, но они потерпели неудачу, потому что не оптимизировали свои эксперименты для поиска этих крошечных эффектов», — говорит Джонсон. «Они были затоплены другими гораздо более значительными эффектами, такими как движение атомов из-за лазерного тепла. Наш эксперимент был гораздо более чувствительным к типу движения, возникающему в результате передачи углового момента ».

Источник: https://android-robot.com/uchenye-vyyasnili-chto-proisxodit-kogda-magnitnye-materialy-razmagnichivayutsya-so-sverxbystroj-skorostyu/