Quando exposto a pulsos intensos de laser, a magnetização de um material pode ser manipulada muito rapidamente. Fundamentalmente, a magnetização está conectada ao momento angular dos elétrons no material. Uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas do Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI) agora foi capaz de seguir o fluxo do momento angular durante a desmagnetização óptica ultrarrápida em uma liga ferrimagnética de ferro-gadolínio em grande detalhe, a fim de compreender os processos fundamentais e seus limites de velocidade. Os resultados foram publicados em Cartas de revisão física .

Quando a magnetização de um corpo ferromagnético muda, ele começa a girar - esta conexão entre a magnetização e o momento angular foi observada em um experimento de Einstein e de Haas em 1915. Esse fenômeno ocorre porque, em um nível microscópico, a magnetização está intrinsecamente ligada ao momento angular dos elétrons. Ao contrário de Einstein e de Haas na época, os físicos agora sabem que tanto o movimento orbital do elétron ao redor do núcleo atômico quanto seu spin geram a magnetização. Na verdade, em um sólido ferromagnético, o spin gera a maior parte da magnetização. Quando o momento angular é conservado, uma mudança na magnetização deve, portanto, ser acompanhada por uma mudança de outras formas de momento angular no sistema - no Experimento Einstein-de Haas, esta foi a rotação resultante de um ímã suspenso depois que sua magnetização foi alterada. Em um nível microscópico, é o movimento correspondente dos átomos que constitui o reservatório final do momento angular.

A iluminação com um pulso de laser ultracurto é um meio de desmagnetizar um material muito rápido - para o ferro ferromagneto prototípico, cobalto e níquel, por exemplo, a magnetização é extinta em cerca de um picossegundo (10 ^-12 segundos) após o pulso de laser atingir o material. Os pesquisadores se perguntam por quais canais o momento angular associado à magnetização é transferido para outros reservatórios durante o curto tempo disponível.

Os cientistas da MBI em Berlim, junto com cientistas da Helmholtz Zentrum Berlin e da Nihon University, Japão, foram capazes de seguir esse fluxo de momento angular em detalhes para uma liga de ferro-gadolínio. Neste material ferrimagnético, átomos adjacentes de ferro (Fe) e gadolínio (Gd) possuem magnetização com direção oposta. Os pesquisadores usaram pulsos de raios-X ultracurtos para monitorar a absorção de raios-X circularmente polarizados pelos átomos de Fe e Gd em função do tempo após a excitação anterior do laser. Esta abordagem é única, pois permite rastrear o momento magnético durante a desmagnetização ultrarrápida em ambos os tipos de átomos individualmente. Adicionalmente, é possível distinguir o momento angular armazenado no movimento orbital vs. no spin dos elétrons quando os respectivos espectros de absorção são analisados.

Através desta visão detalhada de raios-X, os cientistas descobriram que o processo de desmagnetização nos átomos de Gd na liga é significativamente mais rápido do que no Gd puro. Contudo, isso não é devido a uma troca de momento angular entre os diferentes tipos de átomos, apesar de seu alinhamento antiparalelo. "Entendemos a resposta acelerada de Gd como consequência das altíssimas temperaturas geradas entre os elétrons dentro da liga, "diz Martin Hennecke, o primeiro autor do estudo.

Interessantemente, um "rearranjo" do momento angular entre o spin e o movimento orbital dos elétrons também não pôde ser detectado após a desmagnetização induzida por laser com uma resolução temporal de cerca de 100 femtossegundos (10 ^-13 segundos) - isso é verdade localmente em todos os átomos de Fe e Gd. Então, como o momento angular flui? "Obviamente, todo o momento angular é totalmente transferido para a rede atômica, "diz Hennecke." Em linha com as previsões teóricas recentes, o momento angular de spin é primeiro transferido para o movimento orbital no mesmo átomo por meio da interação spin-órbita, mas não podemos vê-lo se acumular lá, pois está se movendo diretamente para a rede atômica. "O último processo foi teoricamente previsto para ser tão rápido quanto um femtossegundo, e os experimentos detalhados agora confirmam que esta última etapa de transferência não é, de fato, um gargalo no fluxo geral do momento angular.

Dado que os pulsos de laser curtos também podem ser usados ​​para alternar permanentemente a magnetização e, assim, escrever bits para gravação de dados magnéticos, o conhecimento da dinâmica desses mecanismos fundamentais é relevante para desenvolver novas abordagens para gravar dados em mídia de armazenamento de dados em massa muito mais rápido do que é possível hoje.