El efecto Einstein-de Haas, demostrado por primera vez hace más de un siglo, proporciona un vínculo intrigante entre el magnetismo y la rotación en materiales ferromagnéticos. Un equipo internacional dirigido por el físico de ETH Steven Johnson ahora ha establecido que el efecto también tiene un papel central enprocesos ultrarrápidos que suceden en la escala de tiempo inferior al picosegundo y, por lo tanto, brindan una nueva visión de los materiales que podrían ser la base de dispositivos nuevos.
En 1915, Albert Einstein y Wander de Haas informaron que cambiar la magnetización de una barra de hierro suspendida mediante la aplicación de un campo magnético externo conduce a la rotación mecánica de la barra. Esta observación intrigante todavía sirve como ejemplo de libro de texto de la asociación entre magnetismo ymomento angular. Sin embargo, surgieron nuevas preguntas sobre ese vínculo cuando se descubrió un fenómeno conocido como "desmagetización ultrarrápida" hace unos 20 años. Allí, la magnetización se pierde en la escala de tiempo de los picosegundos y más abajo, y la cuestión de "¿dónde está el angular?impulso 'se convirtió en el tema de un intenso debate.
Reportando en Naturaleza , un equipo de físicos en ETH Zúrich, el Instituto Paul Scherrer Suiza y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC EE. UU. Ahora resuelven esa misma pregunta. Demuestran que en una película de hierro ferromagnético, se transfiere la mayor parte del momento angularhacia la red, torciendo ligeramente la muestra a medida que su magnetización disminuye rápidamente. Mostrar que un "efecto Einstein-de Haas ultrarrápido" está en juego en este escenario descarta otras explicaciones y debería proporcionar una guía para las exploraciones de cómo la desmagnetización ultrarrápida se puede poner a la tecnologíautilizar.
Imanes configurados girando
En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos de miles de electrones se alinean para crear la magnetización característicamente fuerte. Los electrones sirven como imanes elementales, pero al mismo tiempo actúan también como 'giroscopios en miniatura', debido a su momento angular intrínseco o,como consecuencia, cuando se cambia la magnetización macroscópica de un material ferromagnético, el momento angular acompañante también cambia inevitablemente. La conservación del momento angular exige que este cambio se compense. Para los materiales ferromagnéticos, el momento angular asociado con los espines de electrones alineadoses lo suficientemente fuerte como para convertirse en rotación mecánica a medida que el momento angular se transfiere a la red, como lo demostraron Einstein y de Haas una década antes de que se introdujera el concepto subyacente de giro.
El seguimiento del destino del momento angular es más complicado en el caso de la desmagnetización ultrarrápida, en particular porque las escalas de tiempo involucradas son extremadamente cortas; en las últimas dos décadas, se ha demostrado que varios ferromagnetos metálicos están expuestos a pulsos láser intensospuede inducir una caída en la magnetización en menos de 100 femtosegundos. Esto plantea la posibilidad de dispositivos rápidos controlados ópticamente, pero el avance en el campo se ve obstaculizado por una comprensión incompleta de los mecanismos microscópicos responsables del fenómeno. El equipo de Steven Johnson, profesor deEl Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich y el líder del equipo en el Instituto Paul Scherrer, ahora muestran cómo el impulso angular que se pierde del sistema de espín a medida que disminuye el orden magnético es absorbido por la red durante un período de tiempo tan corto.
Seguimiento de cambios ultrarrápidos
Para tener acceso a los cortos plazos de tiempo involucrados, el equipo hizo uso de la Fuente de Luz Coherente Linac LCLS en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC para realizar experimentos de difracción de rayos X con resolución de femtosegundos. Su experimento fue diseñado de tal manera que pudierandetectando con sensibilidad el tipo de deformaciones esperadas cuando el momento angular se transfiere a la red. Al estudiar una película de hierro de unas pocas decenas de nanómetros de espesor, descubrieron que la desmagnetización inducida por láser desencadena una onda de deformación transversal que se propaga desde la superficie de la muestra haciaexplican que esa onda de deformación debe provenir de un cambio en el momento angular de la red, dejando solo el efecto Einstein-de Haas como la causa del comportamiento observado. Ajustar los datos experimentales a un modelo sugiere que 80El% del momento angular perdido de los giros en el proceso de desmagnetización se transfiere a la red. Por lo tanto, este hallazgo establece que los llamados procesos spin-flip,en lugar del transporte de giros de un lugar a otro, subyace la desmagnetización ultrarrápida, al menos en la muestra que estudiaron.
Johnson y sus colegas esperan, sin embargo, que se produzca un comportamiento similar en otros materiales en los que la magnetización se puede manipular con pulsos ópticos de femtosegundo. Tal conmutación óptica ultrarrápida es de considerable interés con vistas a aplicaciones de dispositivos, por ejemplo, para nuevos dispositivos de almacenamiento magnético.El nuevo giro ahora descubierto sobre el famoso efecto Einstein-de Haas, junto con la información fundamental que proporciona, debería ofrecer pautas valiosas para cumplir esa promesa.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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