مغناطیس فوق سریع: آهنرباهای گرمایشی زمان را منجمد می‌کنند

اجسام دارای خاصیت مغناطیسی را می‌توان به کمک پالس‌های کوتاه لیزری غیرمغناطیسی کرد. درحال حاضر، قطعاتی وجود دارد که اصطلاحا HAMR ( جذب کننده خاصیت مغناطیسی به کمک گرما) نام دارد و مطابق با همین اصل عمل می‌کند. اکنون، تیمی در HZB روش جدیدی را در BESSY II برای تعیین کمیت یکی از این مکانیسم‌ها توسعه داده‌اند و آن را روی عنصر کمیاب گادولینیوم امتحان کرده‌اند. این عنصر خاصیت مغناطیسی خود را از الکترون‌های لایه‌های 4f و 5d می‌گیرد. از سویی دیگر، آزمایشات انجام شده بر روی نیکل و آلیاژهای آهن نیکل تکمیل کننده این مطالعه است. درک این مکانیسم‌ها برای توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی اطلاعات به صورت فوق سریع مفید است.

مواد جدید برای فرآیند پردازش اطلاعات را به صورتی کارآمدتر انجام دهند. به عنوان مثال می‌توان به دستگاه اسپینترونیک فوق سریع اشاره کرد که داده‌ها را با انرژی ورودی کمتری ذخیره می‌کنند. اما امروزه، هنوز مکانیسم‌های میکروسکوپی مغناطیس‌زدای فوق سریع به صورت کامل شناخته نشده‌اند. به‌طور معمول، فرآیند مغناطیس‌زدایی با ارسال یک پالس لیزری فوق کوتاه به نمونه مورد مطالعه قرار می‌گیرد، در نتیجه آن را گرم می‌کند و سپس نحوه تکامل سیستم را در اولین پیکوثانیه پس از آن، تجزیه و تحلیل می‌کند.

تصویر فوری از وضعیت شبکه

دکتر «رجیس دکر» نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می‌دهد: « رویکرد ما متفاوت است. ما نمونه را در دمای مشخصی در طول جذبی طیف‌ها نگه می‌داریم و سپس این کار را برای دماهای متفاوت زیادی انجام می‌دهیم. از 20- درجه سانتی‌گراد تا 450 درجه سانتی‌گراد برای گادولینیوم و دماهای بالاتر (هزار درجه سانتی‌گراد) برای آزمایش‌های قبلی و عناصری مانند نیکل یا آهن نیکل. این کار به ما اجازه می‌دهد تا اثر فونون‌ها را در هر دما برای مغناطیس‌زدایی فوق سریع که در آن دمای شبکه، الکترون‌ها و سیستم اسپینی با زمان تکامل می‌یابد، به صورت کمَی در آوریم. به عبارت دیگر، با قرار دادن سیستم در دمای معین، وضعیت شبکه را در یک زمان معین پس از اعمال پالس لیزری فوق کوتاه بررسی می‌کنیم و نتایج را اندازه می‌گیریم.

آزمایش کردن گادولینیوم

عنصر گادولینیوم دارای اربیتال‌های الکترونی 4f و 5d است که هردو سبب افزایش خواص فرومغناطیسی آن می‌شوند. هرچه دما بالاتر باشد، نمونه کریستالی بیشتر دچار ارتعاش می‌شود. همانطور که فیزیکدانان می‌گویند – هرچه تعداد فونون‌ها بیشتر باشد، به دلیل پراکندگی الکترون‌ها با فونون‌ها از شبکه کریستالی، احتمال وقوع چرخش‌های اسپینی بیشتر می‌شود. به همین ترتیب نرخ پراکندگی مشخص می‌گردد.

فیزیکدانان با استفاده از روش پراکندگی غیرالاستیک پرتو ایکس (RIXS) نه تنها توانستند تعداد فونون‌ها را در دمای معین تعیین کنند، بلکه برهم‌کنش بین فونون‌ها و الکترون‌های 4f و 5d را نیز تشخیص دادند. سپس با استفاده از قوانین انتخاب تقارن در طیف‌سنجی پرتو ایکس، دانشمندان موفق شدند تا تمایز بین نرخ‌های پراکندگی الکترون‌های 4f و 5d را با موفقیت انجام دهند.

الکترون‌های 5d با فونون‌ها برهم‌کنش می‌کنند

داده‌ها نشان می‌دهند که تقریبا هیچ پراکندگی میان الکترون‌های 4f و فونون‌های موضعی وجود ندارد. اما بیشتر فرآیند پراکندگی بین الکترون‌های 5d و فونون صورت می‌گیرد، به‌طوری که یک تنها یک چرخش اسپین در آنجا اتفاق می‌افتد. دکر در صحبت پایانی خود گفت: « رویکرد ما نشان می‌دهد که پراکندگی الکترون-فونون، که به عنوان یکی از محرک‌های اصلی مغناطیس‌زدایی فوق سریع شناخته می‌شود، فقط برای الکترون‌های 5d اعمال می‌شود. جالب اینجاست که این مکانیسم، وجود آستانه دما را نیز نشان می‌دهد که به ماده بستگی دارد. این مکانیسم نشان دهنده وجود مکانیسم‌های میکروسکوپی دیگری است که در دماهای پایین‌تر وجود دارند. تئوری‌ها وجود چنین مکانیسم‌هایی را پیش‌بینی کرده بود.»