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強力なレーザーパルスが材料に照射され、〜100アト秒のタイムスケールで発生する超高速スピン反転プロセスが引き起こされます。 クレジット: © J. Harms、MPSD
強力なレーザー光は、重原子を含む固体にアト秒磁性を生成することができ、磁化に関する新たな洞察を提供し、超高速メモリデバイスを可能にする可能性があります。
強力なレーザー光は、アト秒スケールで固体に磁気を誘発することができます。これはこれまでで最速の磁気応答です。 これは、高度なシミュレーションを使用していくつかの 2D および 3D 材料の磁化プロセスを調査した MPSD の理論家によって到達された発見です。 彼らの計算は、重原子を含む構造では、レーザーパルスによって開始される高速電子ダイナミクスがアト秒磁気に変換できることを示しています。 作品が雑誌に掲載されました npj計算材料。
チームはいくつかのベンチマーク 2D および 3D 材料システムに焦点を当てましたが、結果は重い原子成分を含むすべての材料に当てはまります。 「重原子は、強力なスピン軌道相互作用を引き起こすため、特に重要です」と筆頭著者のオファー・ノイフェルド氏は説明します。 「この相互作用は、光誘起の電子運動をスピン偏極、つまり磁性に変換する鍵となります。 そうでなければ、光は電子のスピンと相互作用しません。」
小さなコンパスの針と同じように、電子も空間内のある方向、たとえば「上」または「下」、いわゆる「スピン」を指す内部針を持っていると想像できます。 各電子のスピンの方向は、電子の周りの化学環境、たとえばどの原子が見えるか、他の電子がどこにあるかなどによって異なります。 非磁性材料では、電子は全方向に均等に回転します。 対照的に、個々の電子のスピンが互いに整列して同じ方向を向くと、その材料は磁性を帯びます。
理論家たちは、固体が強力な直線偏光レーザーパルスと相互作用するときにどのような磁気現象が起こり得るかを調査することに着手した。レーザーパルスは通常、物質内部で非常に速い時間スケールで電子を加速する。 「レーザーパルスが直線偏光を持っている場合、通常は磁気を誘発しないと考えられているため、これらの条件は調査するのに興味深いものです」とノイフェルド氏は言います。
予想外なことに、彼らのシミュレーションは、磁気が一時的であるにもかかわらず、これらの特に強力なレーザーが材料を磁化することを示しました。磁気はレーザーパルスがオフになるまでしか持続しません。 しかし、最も注目すべき発見は、このプロセスの速度に関するものでした。磁化は 500 アト秒未満という極めて短い時間スケールで進行します。これは、これまでで最速の磁気応答が予測されるものです。 アト秒は 1 京分の 1 秒 (1×10−18 1秒以内）。 スケールとしては、1 アト秒は 1 秒に相当し、1 秒は約 320 億年に相当します。
研究チームは、高度なシミュレーションツールを使用して根底にあるメカニズムを説明し、強い光が電子のスピンを前後に反転させることを示しました。 レーザーは、数百アト秒の空間で円状の軌道で電子を効果的に加速します。 これらの強力なスピン軌道相互作用により、スピンの方向が整列します。 このプロセスは、ボウリングのボールが表面を滑って転がり始めると想像できます。この例えでは、光がボールを押し回し、スピン軌道相互作用 (電子が周回するときに近くの重い原子核から生じる力) が作用します。それ）前後に転がり、磁化します。 両方の力が連携してボールを転がします。
この結果は、磁化の基礎について興味深い新たな洞察を提供するものである、と Neufeld 氏は述べています。「これは、レーザーの特性によって調整できる高度な非線形効果であることがわかりました。 この結果は、明確に証明しているわけではありませんが、磁気の究極の速度限界は数十アト秒であることを示唆しています。それは、電子運動の自然な速度限界だからです。」
さまざまな材料におけるこれらの光誘起磁化プロセスを基本レベルで理解することは、超高速メモリデバイスの開発に向けた重要なステップであり、磁気に対する現在の理解が変わります。
参考文献: 「強力なフェムト秒レーザーによって駆動される非磁性材料におけるアト秒磁化ダイナミクス」、Ofer Neufeld、Nicolas Tancogne-Dejean、Umberto De Giovannini、Hannes Hübener、Angel Rubio 著、2023 年 3 月 23 日、 npj計算材料。
DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7
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