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用极紫外高次谐波探测自旋动力学

2024-01-16 16:40     来源:物理研究更新 大锅天眼      核物理原子核粒子物理
Heusler半金属是一种具有特殊结构和性质的合金,它们由三种不同的元素组成,例如Co2MnGa。这种材料的特点是,它的导带中只有一种自旋方向的电子,而价带中有两种自旋方向的电子。这意味着,这种材料在室温下是铁磁的,但是在电场或磁场的作用下,它可以变成半导体或金属。这种自旋极化的特性使得Heusler半金属在自旋电子学中具有潜在的应用价值。

但是,要利用Heusler半金属的自旋极化,我们需要能够在极短的时间内改变它的自旋态。这就是光激发的作用当我们用一束超快的激光脉冲照射Heusler半金属时,我们可以在几百飞秒的时间内激发出复杂的自旋动力学。这些自旋动力学包括三种主要的过程:自旋翻转、同位自旋转移和跨位自旋转移。

自旋翻转:这是指电子的自旋方向由于自旋轨道耦合而改变。自旋轨道耦合是指电子的自旋和轨道运动之间的相互作用,它可以使电子的自旋和轨道角动量之间发生转换。当电子受到激光脉冲的激发时,它的能量和动量会发生变化,从而导致自旋轨道耦合的强度也发生变化。这就可能使电子的自旋发生翻转,从而改变材料的磁化强度。

同位自旋转移:这是指同一种元素的不同原子之间的自旋交换。例如,在Co2MnGa中,有两种不同的Co原子,分别位于不同的晶格位置。当激光脉冲激发了其中一种Co原子的电子时,它的自旋可能会通过交换作用传递给另一种Co原子的电子,从而导致两种Co原子的磁矩发生变化。

跨位自旋转移:这是指不同种类的元素之间的自旋交换。例如,在Co2MnGa中,Co原子和Mn原子之间存在着强烈的自旋耦合,使得它们的磁矩保持平行。当激光脉冲激发了Co原子的电子时,它的自旋可能会通过交换作用传递给Mn原子的电子,从而导致Co原子和Mn原子的磁矩发生反向。这三种过程都会在激光脉冲的作用下发生,但是它们的相对强度和时间尺度是不同的。要区分这三种过程,我们需要一种能够探测不同元素和不同自旋方向的电子的方法。这就是极紫外高次谐波探测的作用。

极紫外高次谐波是一种由激光脉冲与气体分子相互作用产生的短波长的电磁辐射,它可以用来探测材料中的电子和自旋态。极紫外高次谐波的优点是,它可以在极短的时间内对材料进行元素特异性的测量,即只测量某一种元素的电子。这是因为极紫外高次谐波的能量可以匹配材料中的某一种元素的吸收边缘,即该元素的电子从内层跃迁到外层所需的能量。当极紫外高次谐波的能量与某一种元素的吸收边缘相匹配时,它就可以激发该元素的电子,从而产生一个特征的信号。这个信号可以反映该元素的电子和自旋的变化,从而揭示材料中的自旋动力学。

最近发表的一篇论文就利用了这种方法,对Co2MnGa中的Co和Mn两种元素的自旋动力学进行了测量。他们使用了一束波长为800 nm,持续时间为30 fs的激光脉冲作为泵浦光源,激发了Co2MnGa中的电子和自旋。然后,他们使用了一束波长范围为20-72 nm,持续时间为20 fs的极紫外高次谐波作为探测光源,测量了Co和Mn两种元素的M边缘(即3p到3d的跃迁)的吸收变化。这些吸收变化可以反映Co和Mn两种元素的磁化强度的变化,从而揭示了自旋动力学的过程。

他们的实验结果显示,激光脉冲可以在极短的时间内控制Heusler半金属中的自旋动力学,包括自旋翻转、跨位自旋转移和同位自旋转移。这些过程的相对强度和时间尺度取决于激光脉冲的参数和探测光的能量。这种光控制自旋的方法为自旋电子学提供了一种新的可能性,可以在未来实现更快、更节能的信息存储和处理。

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