Nowe badanie pokazuje, że impulsy laserowe mogą zmieniać właściwości magnetyczne materiałów ziem rzadkich, wpływając na ich elektrony 4f. Możliwość ta, wykazano w eksperymentach z terbem w głównych zakładach rentgenowskich, może prowadzić do szybszych i wydajniejszych rozwiązań w zakresie przechowywania danych. Źródło: SciTechDaily.com
Wykazano, że impulsy laserowe regulują właściwości magnetyczne pierwiastków ziem rzadkich, wpływając na elektrony 4f, otwierając możliwości dla szybszych i bardziej energooszczędnych urządzeń do przechowywania danych.
Szczególne właściwości materiałów magnetycznych ziem rzadkich wynikają z obecności elektronów w powłoce 4f. Do tej pory uważano, że właściwości magnetyczne elektronów 4f są prawie niemożliwe do kontrolowania. Teraz naukowcy po raz pierwszy wykazali, że impulsy laserowe mogą wpływać na elektrony 4f, zmieniając w ten sposób ich właściwości magnetyczne. Odkrycie, którego dokonano w wyniku eksperymentów w EuXFEL i FLASH, otwiera nowy sposób przechowywania danych za pomocą pierwiastków ziem rzadkich.
Przełom w kontroli właściwości magnetycznych
Najsilniejsze magnesy, jakie znamy, oparte są na pierwiastkach ziem rzadkich. Ich 4f elektrony odpowiadają za ich właściwości magnetyczne: wytwarzają duży moment magnetyczny, który utrzymuje się nawet wtedy, gdy zmienia się ich środowisko chemiczne. Oznacza to, że pierwiastki ziem rzadkich można stosować w bardzo różnych związkach i stopach bez zmiany ich specjalnych właściwości magnetycznych.
Do tej pory zakładano, że właściwości magnetyczne 4f elektronów nie można było zmienić, nawet jeśli materiał został wzbudzony impulsem laserowym. Ale rzeczywiście jest to możliwe, jak stwierdził zespół z Centrum Materiałów i Energii im. Helmholtza (HZB), Freie Universität Berlin, DESYeuropejski laser rentgenowski XFEL i inne instytucje wykazały, że układ przestrzenny 4f elektrony można na krótko przełączać poprzez wzbudzenie lasera. To także zmienia ich magnetyzm.
Efekt ten otwiera nowe możliwości szybkiej i energooszczędnej kontroli magnetycznych materiałów ziem rzadkich. Praca ukaże się dzisiaj (5 sierpnia) w czasopiśmie Postęp nauki.
Zdjęcie przedstawia orbitale terbu, pomiędzy którymi zachodzi wzbudzenie, oraz schematyczny szkic procesu wzbudzenia. Źródło: HZB
Eksperymentalne spostrzeżenia z laserów rentgenowskich
Zespół przeprowadził eksperymenty z laserami rentgenowskimi EuXFEL i FLASH oraz przeanalizował próbki terbu, pierwiastka ziem rzadkich o liczbie atomowej 65 i łącznie 8 elektronów w 4f orbitale. Próbkę wzbudzono ultrakrótkim impulsem laserowym i poddano analizie metodą spektroskopii rentgenowskiej. Wykorzystane w badaniach miękkie promieniowanie rentgenowskie jest w stanie z bardzo dużą czułością określić strukturę elektronową materiału.
Z eksperymentu wynika, że po wzbudzeniu laserem 4f elektrony na krótko przełączają się na orbital o innym rozkładzie przestrzennym. Dzieje się tak na skutek procesu rozpraszania 5d elektronów, o czym wcześniej nie myślano. Redystrybucja 4F elektronów poprzez wzbudzenie lasera powoduje krótkotrwałą zmianę ich właściwości magnetycznych.
Potencjał w technologiach przechowywania danych
To kontrolowane przełączanie otwiera nowe zastosowania dla materiałów ziem rzadkich, takie jak energooszczędne i szybkie urządzenia do przechowywania informacji. Do tej pory pierwiastki ziem rzadkich nie były stosowane w magnetycznych nośnikach danych.
Najnowsze nośniki danych to tak zwane urządzenia do przechowywania danych HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), w których struktury magnetyczne są podgrzewane za pomocą impulsu lasera, aby zostać przełączone przez magnes. Dzięki znacznie silniejszym magnesom ziem rzadkich ultrakrótki impuls laserowy mógł teraz wzbudzić 4f elektrony i umożliwić przełączanie — efekt elektroniczny, który byłby jeszcze szybszy i wydajniejszy niż mechanizm ogrzewania w pamięci HAMR.
Postęp w spektroskopii rentgenowskiej
Badania te były możliwe dzięki rozwojowi w ostatnich dziesięcioleciach źródeł promieniowania rentgenowskiego opartych na akceleratorach do generowania ultrakrótkich impulsów rentgenowskich. Te źródła promieniowania rentgenowskiego pozwalają na obserwację elementarnych procesów zachodzących w materiałach magnetycznych w skali czasowej kilku femtosekund. Femtosekunda (10-15 s) to jedna milionowa miliardowej części sekundy. Światło przemieszcza się na szerokość włosa w 300 femtosekund.
Prace prowadzono w europejskim laserze rentgenowskim EuXFEL oraz w FLASH w Hamburgu. HZB dysponuje także krótkoimpulsowym źródłem promieniowania rentgenowskiego, które do końca tego roku zostanie rozbudowane specjalnie na potrzeby eksperymentów o wysokiej rozdzielczości spektroskopowej. BESSY II zapewni wówczas również optymalne warunki dla tego typu eksperymentów. Berlin jest jednym z wiodących na świecie ośrodków badań nad ultraszybkimi efektami magnetycznymi.
Odniesienie: „Sterowanie optyczne 4F stan orbitalny w metalach ziem rzadkich” Nele Thielemann-Kühn, Tim Amrhein, Wibke Bronsch, Somnath Jana, Niko Pontius, Robin Y. Engel, Piter S. Miedema, Dominik Legut, Karel Carva, Unai Atxitia, Benjamin E. van Kuiken , Martin Teichmann, Robert E. Carley, Laurent Mercadier, Alexander Yaroslavtsev, Giuseppe Mercurio, Loïc Le Guyader, Naman Agarwal, Rafael Gort, Andres Scherz, Siarhei Dziarzhytski, Günter Brenner, Federico Pressacco, Ru-Pan Wang, Jan O. Schunck, Mangalika Sinha, Martin Beye, Gheorghe S. Chiuzbăian, Peter M. Oppeneer, Martin Weinelt i Christian Schüßler-Langeheine, 17 kwietnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adk9522
Prace na Freie Universität, Technische Universität, HZB, Fritz-Haber-Institut i Max-Born-Institut wraz z partnerami w Halle są finansowane przez Niemiecką Fundację Badawczą w ramach Transregionalnego Centrum Badań Współpracy (Transregio-SFB 227 „Ultrafast Spin Dynamika”).
