Na fonte de luz coerente Linac da SLAC, os pesquisadores explodiram uma amostra de ferro com pulsos de laser para desmagnetizá-la, em seguida, raspou a amostra com raios-X, usando os padrões formados quando os raios X se espalharam para descobrir detalhes do processo. Crédito:Gregory Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Mais de 100 anos atrás, Albert Einstein e Wander Johannes de Haas descobriram que, quando usaram um campo magnético para inverter o estado magnético de uma barra de ferro pendurada em um fio, a barra começou a girar.
Agora, experimentos no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia viram pela primeira vez o que acontece quando os materiais magnéticos são desmagnetizados a velocidades ultrarrápidas de milionésimos de bilionésimo de segundo:Os átomos na superfície do material se movem, muito parecido com a barra de ferro. O trabalho, feito no Linac Coherent Light Source (LCLS) de laser de raios-X da SLAC, foi publicado em Natureza no início deste mês.
Christian Dornes, um cientista da ETH Zurich, na Suíça e um dos principais autores do relatório, diz que este experimento mostra como a desmagnetização ultrarrápida anda de mãos dadas com o que é conhecido como efeito Einstein-de Haas, resolvendo um mistério antigo no campo.
“Aprendi sobre esses fenômenos nas minhas aulas, mas ver em primeira mão que a transferência do momento angular realmente faz algo se mover mecanicamente é muito legal, "Dornes diz." Ser capaz de trabalhar na escala atômica assim e ver de forma relativamente direta o que acontece teria sido um sonho total para os grandes físicos de cem anos atrás. "
Mar giratório de skatistas
Na escala atômica, um material deve seu magnetismo a seus elétrons. Em ímãs fortes, o magnetismo vem de uma propriedade quântica dos elétrons chamada spin. Embora o spin do elétron não envolva uma rotação literal do elétron, o elétron atua de algumas maneiras como uma pequena bola giratória de carga. Quando a maioria dos giros aponta na mesma direção, como um mar de patinadores no gelo fazendo piruetas em uníssono, o material se torna magnético.
Pesquisadores da ETH Zurique, na Suíça, usaram LCLS para mostrar uma ligação entre a desmagnetização ultrarrápida e um efeito que Einstein ajudou a descobrir há 100 anos. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
Quando a magnetização do material é revertida com um campo magnético externo, a dança sincronizada dos patinadores se transforma em um frenesi frenético, com dançarinos girando em todas as direções. Seu momento angular líquido, que é uma medida de seu movimento rotacional, cai a zero quando seus giros se cancelam. Uma vez que o momento angular do material deve ser conservado, é convertido em rotação mecânica, como o experimento Einstein-de Haas demonstrou.
Agitamos e gritamos
Em 1996, pesquisadores descobriram que zapear um material magnético com um intenso, pulso de laser super-rápido desmagnetiza quase instantaneamente, em uma escala de tempo de femtossegundo. Tem sido um desafio entender o que acontece com o momento angular quando isso ocorre.
Nesse artigo, os pesquisadores usaram uma nova técnica no LCLS combinada com medições feitas na ETH Zurich para ligar esses dois fenômenos. Eles demonstraram que quando um pulso de laser inicia a desmagnetização ultrarrápida em um filme fino de ferro, a mudança no momento angular é rapidamente convertida em um chute inicial que leva à rotação mecânica dos átomos na superfície da amostra.
De acordo com Dornes, uma conclusão importante deste experimento é que, embora o efeito seja apenas aparente na superfície, isso acontece em toda a amostra. À medida que o momento angular é transferido através do material, os átomos na maior parte do material tentam se torcer, mas se cancelam. É como se uma multidão de pessoas amontoadas em um trem tentasse virar ao mesmo tempo. Assim como apenas as pessoas na periferia teriam liberdade para se mover, apenas os átomos na superfície do material são capazes de girar.
Na fonte de luz coerente Linac da SLAC, os pesquisadores explodiram uma amostra de ferro com pulsos de laser para desmagnetizá-la, em seguida, raspou a amostra com raios-X, usando os padrões formados quando os raios X se espalharam para descobrir detalhes do processo. Crédito:Gregory Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Raspando a superfície
Em seu experimento, os pesquisadores explodiram o filme de ferro com pulsos de laser para iniciar a desmagnetização ultrarrápida, em seguida, roçou-o com intensos raios-X em um ângulo tão raso que era quase paralelo à superfície. Eles usaram os padrões formados quando os raios X se espalharam pelo filme para aprender mais sobre para onde vai o momento angular durante esse processo.
"Devido ao ângulo raso dos raios-X, nosso experimento foi incrivelmente sensível aos movimentos ao longo da superfície do material, "diz Sanghoon Song, um dos três cientistas do SLAC que estiveram envolvidos na pesquisa. "Esta foi a chave para ver o movimento mecânico."
Para acompanhar esses resultados, os pesquisadores farão mais experimentos no LCLS com amostras mais complicadas para descobrir mais precisamente com que rapidez e diretamente o momento angular escapa para a estrutura. O que eles aprendem levará a melhores modelos de desmagnetização ultrarrápida, que poderia ajudar no desenvolvimento de dispositivos controlados opticamente para armazenamento de dados.
Steven Johnson, um cientista e professor da ETH Zurich e do Instituto Paul Scherrer na Suíça que co-liderou o estudo, diz que a experiência do grupo em áreas fora do magnetismo permitiu que abordassem o problema de um ângulo diferente, posicionando-os melhor para o sucesso.
"Houve inúmeras tentativas anteriores de outros grupos para entender isso, mas eles falharam porque não otimizaram seus experimentos para procurar esses efeitos minúsculos, "Diz Johnson." Eles foram inundados por outros efeitos muito maiores, como o movimento atômico devido ao calor do laser. Nosso experimento foi muito mais sensível ao tipo de movimento que resulta da transferência de momento angular. "
