强激光在几阿秒内磁化固体

强烈的激光可以在阿秒级的固体中诱导磁性 - 迄今为止最快的磁响应。这是德国汉堡马克斯普朗克物质结构和动力学研究所的理论家得出的发现，他们使用先进的模拟来研究几种2D和3D材料的磁化过程。

他们的计算表明，在具有重原子的结构中，由激光脉冲引发的快速电子动力学可以转换为阿秒磁性。这项工作已发表在npj Computational Materials上。

该团队专注于几个基准2D和3D材料系统，但结果适用于所有包含重原子成分的材料。“重原子特别重要，因为它们诱导强烈的自旋轨道相互作用，”主要作者Ofer Neufeld解释说。“这种相互作用是将光诱导的电子运动转化为自旋极化的关键 - 换句话说，转化为磁性。否则，光根本不会与电子的自旋相互作用。

就像微小的罗盘针一样，电子也可以想象成有一个指向空间某个方向的内部针，例如“向上”或“向下”——即所谓的“自旋”。每个电子的自旋方向取决于它周围的化学环境，例如它可以看到哪些原子以及其他电子在哪里。在非磁性材料中，电子在所有方向上均等地旋转。相反，当单个电子的自旋相互对齐以指向同一方向时，材料变得具有磁性。

理论家们着手研究当固体与强烈的线性偏振激光脉冲相互作用时会发生什么磁性现象，这些激光脉冲通常会在非常快的时间尺度上加速物质内部的电子。“这些条件令人着迷，因为当激光脉冲具有线性偏振时，它们通常被认为不会引起任何磁性，”Neufeld说。

出乎意料的是，他们的模拟表明，这些特别强大的激光器确实会磁化材料，即使磁性是瞬态的——它只持续到激光脉冲关闭。然而，最引人注目的发现与这一过程的速度有关：磁化在极短的时间内演变，不到500阿秒 - 这是有史以来最快的磁响应预测。就规模而言，一阿秒是一秒，一秒是大约 32 亿年。

使用先进的模拟工具来解释潜在的机制，该团队表明强光来回翻转电子的自旋。激光在几百阿秒的空间内有效地加速了圆形轨道上的电子。然后，这些强烈的自旋轨道相互作用使自旋方向对齐。

这个过程可以想象成一个保龄球在表面上滑动，然后开始滚动：在这个类比中，光推动球，自旋轨道相互作用(当电子围绕它运行时，附近的重原子核产生的力)导致它来回滚动，磁化它。两种力量共同作用，使球滚动。

Neufeld说，这些结果为磁化的基本原理提供了引人入胜的新见解：“我们发现这是一种高度非线性的效应，可以通过激光的特性进行调整。结果暗示，尽管没有明确证明，磁性的最终速度极限是几十阿秒，因为这是电子运动的自然速度极限。

在一系列材料中了解这些光诱导磁化过程的基本水平是开发超快存储设备的关键一步，并改变了当前对磁性的理解。