測量過程中使樣品保持恆定溫度的發光燈絲。圖片來源：HZB
磁固體可以用短鐳射脈衝迅速退磁，目前市場上已經有了根據這一原理執行的所謂熱輔助磁記錄（HAMR）儲存器。然而，超快退磁的微觀機制仍然不清楚。
現在，德國亥姆霍茲國家研究中心聯合會（HZB）的一個團隊在BESSY II儲存環上開發了一種新方法，用來量化這些機制。他們將其應用於稀土元素釓，其磁性是由4f和5d殼層上的電子引起的。這項研究由該團隊對鎳和鐵鎳合金進行的一系列實驗組成，瞭解相關機制有助於開發超快資料儲存裝置。相關成果近日發表於《應用物理快報》。
新材料應該使資訊處理更有效，例如透過超快自旋電子裝置，以更少的能量輸入儲存資料。但到目前為止，超快退磁的微觀機制尚未被完全理解。通常，為了研究退磁過程，科學家會向樣品傳送一個超短鐳射脈衝來加熱它，然後分析系統在之後的第一皮秒內的演變。
“我們的方法有所不同。”該研究主要作者Regis Decker解釋說，“在範圍識別過程中，我們將樣品保持在一定溫度，並在許多溫度下開展了實驗，比如從-120℃到450℃下對釓的實驗，以及更高的溫度下（1000℃）對鎳和鎳鐵合金的實驗。這讓我們能夠量化不同溫度下，聲子對超快退磁的影響，其中晶格、電子和自旋子系統的溫度隨時間而變化。換句話說，透過將系統置於一定溫度下，我們在超短鐳射脈衝後的給定時間捕獲晶格條件，並在那裡進行測量。”
元素釓有4f和5d的電子軌道，這有助於實現它的鐵磁性。溫度越高，結晶樣品振動越多。正如物理學家所說，聲子的數量越多，由電子與聲子從晶格中散射而產生的自旋翻轉就越有可能發生。
利用非彈性X射線散射（RIXS）方法，物理學家不僅能夠確定在給定溫度下聲子的數量，而且還能夠區分聲子與4f電子和5d電子之間的相互作用。他們使用嚴格的X射線光譜對稱選擇規則，成功區分了4f和5d電子的散射率。
資料表明，局域4f電子與聲子之間幾乎沒有散射，散射過程大多發生在5d電子與聲子之間，只有在這樣的場合會發生自旋翻轉。“眾所周知，電子—聲子散射是超快退磁的主要觸發因素之一，我們的方法證明，這隻適用於5d電子。有趣的是，它還顯示存在一個溫度閾值，這取決於材料——低於這個閾值就不會發生這種機制。正如理論預測的那樣，這表明在較低溫度下存在另一種微觀機制。”Decker說。 （馮維維）
