Forskning: Ny kopplingstyp leder till ultrasnabb magnetisk förändring

2020-11-04

Att förstå hur magnetisering kan förändra sig på snabbaste sätt har blivit allt viktigare för att åstadkomma en utveckling av framtidens ultrasnabba datorkomponenter. I ett internationellt samarbete visar nu forskare att det finns en ny kopplingstyp som kan ge ultrasnabb avmagnetisering i terbium, ett magnetiskt grundämne med stark magnetisk anisotropi.

Terbium är ett grundämne som uppkallades efter Ytterby gruva i Stockholms skärgård, där flera jordartsmetaller upptäcktes. De flesta jordartsmetaller är magnetiska. Terbium är ferromagnetisk och kännetecknas av ett stort magnetiskt banmoment, som kopplar starkt med spinn-magnetiska momentet. Genom banmomentet kopplar spinnmomentet kraftfullt till en föredragen riktning i terbiumkristallen. Det krävs därför en stor energi för att kunna ändra magnetiseringsriktningen, vilket gör terbium till ett intressant grundämne för tillämpning i nanometerstora magnetiska bits.

Kopplingar mellan olika magnetiska moment som leder till ultrasnabb spinn-gitter-dynamik i ferromagnetisk terbiummetall (Bild: Andreas Donges).

Ultrakorta ljuspulser med pulslängder inom femtosekundsområdet (10-15 s) är mycket lovande för att sätta igång de hittills snabbaste magnetiseringsförändringarna. Men på vilket sätt det går till och hur magnetiseringsdynamiken kan styras är fortfarande en gåta. Fysiker från Tyskland, Tjeckien och Sverige har nu visat att det finns en ny kopplingskanal som leder till en snabb avmagnetisering i terbiummetall, vilket sker inom mindre än 0,5 pikosekunder. Genom tidsupplöst magnetisk spektroskopi i extrem-ultravioletta området kunde fysiker i Berlin visa att terbium förlorar sitt magnetiska moment oväntat fort även om ljuspulsen inte exciterar terbiums stark-bundna magnetiska 4f-elektroner.

Teorin som utvecklades av fysiker i Konstanz, Tyskland, och Uppsala visade att en tidigare okänd energikanal är ansvarig för den snabba magnetiseringsförändringen. Laserpulsen pumpar mycket energi i de rörliga ledningselektronerna som i sin tur transfererar energi fort till gitteratomer som börjar vibrera. Genom den starka kopplingen mellan gittret och banmomentet börjar det banmagnetiska momentet vibrera. Detta leder till att även spinnmomentet börjar svänga och därmed emitterar spinnvågar, så kallade magnoner, som reducerar den totala magnetiseringen. Den nya starka kopplingen mellan spinn och gitter som förmedlas av banmomentet är nödvändig för att förklara spinndynamik i teknologi-relevanta material med utpräglad magnetisk anisotropi. Forskningen publicerades i tidskriften Science Advances.

Artikelreferens

The role of ultrafast magnon generation in the magnetization dynamics of rare-earth metals. B. Frietsch et al., Science Advances 6, eabb1601 (2020),
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abb1601

För mer information

Peter Oppeneer, tel. 0709 604016, peter.oppeneer@physics.uu.se