图片显示了测量过程中使样品保持恒定温度的发光灯丝。图片来源：德国亥姆霍兹国家研究中心联合会
磁固体可以用短激光脉冲迅速退磁，市场上已经有了根据这一原理发挥作用的所谓的热辅助磁记录（HAMR）存储器。然而，超快退磁的微观机制仍然不清楚。
现在，德国亥姆霍兹国家研究中心联合会（HZB）的一个团队在BESSY II储存环上开发了一种新的方法来量化这些机制之一，他们将其应用于稀土元素钆，其磁性是由4f和5d壳层上的电子引起的。这项研究是由该团队对镍和铁镍合金进行的一系列实验组成的，了解相关机制有助于开发超快数据存储设备。相关成果先后发表于《应用物理快报》《科学报告》等期刊。
新材料应该使信息处理更有效，例如通过超快自旋电子设备以更少的能量输入存储数据。但到目前为止，超快退磁的微观机制尚未被完全理解。通常，研究退磁过程是通过向样品发送一个超短激光脉冲，从而加热它，然后分析系统在之后的第一皮秒内的演变。
“我们的方法有所不同。”该研究主要作者Regis Decker解释说，“在范围识别过程中，我们将样品保持在一定的温度，在许多温度下开展了实验，比如从-120℃到450℃对钆的实验，以及更高的温度下（1000℃）对镍和镍铁合金的实验。这让我们能够量化不同温度下声子对超快退磁的影响，其中晶格、电子和自旋子系统的温度随时间而变化。换句话说，通过将系统置于一定温度下，我们在超短激光脉冲后的给定时间捕获晶格条件，并在那里进行测量。”
元素钆有4f和5d的电子轨道，都有助于它的铁磁性。温度越高，结晶样品振动越多。正如物理学家所说，声子的数量越多，由于电子与声子从晶格中散射而产生的自旋翻转就越有可能发生。
利用非弹性X射线散射（RIXS）方法，物理学家不仅能够确定在给定温度下声子的数量，而且还能够区分声子与4f电子和5d电子之间的相互作用。使用严格的X射线光谱对称选择规则，成功地区分了4f和5d电子的散射率。
数据表明，局域4f电子与声子之间几乎没有散射，但散射过程大多发生在5d电子与声子之间，只有这样的场合会发生自旋翻转。“众所周知，电子-声子散射是超快退磁的主要触发因素之一，我们的方法证明，这只适用于5d电子。有趣的是，它还显示了存在一个温度阈值，这取决于材料，低于这个阈值就不会发生这种机制。正如理论预测的那样，这表明在较低温度下存在另一种微观机制。”Decker说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1063/5.0063404
https://doi.org/10.1038/s41598-021-81177-9
https://www.nature.com/articles/s41598-019-45242-8
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