Quão rápido pode um ímã mudar sua orientação, e quais são os mecanismos microscópicos em jogo? Uma equipe HZB em BESSY II tem, pela primeira vez, avaliou experimentalmente o principal processo microscópico do magnetismo ultrarrápido. A metodologia desenvolvida para este fim também pode ser utilizada para investigar interações entre spins e oscilações de rede no grafeno, supercondutores ou outros materiais quânticos.

As interações entre elétrons e fônons são consideradas como a força motriz microscópica por trás dos processos de magnetização ou desmagnetização ultrarrápidos (spin flips). Contudo, não foi possível até agora observar tais processos ultrarrápidos em detalhes devido à ausência de métodos adequados.

Agora, uma equipe chefiada pelo Prof. Alexander Föhlisch desenvolveu um método original para determinar experimentalmente a taxa de espalhamento spin-flip acionada por elétron-fônon em dois sistemas modelo:níquel ferromagnético e cobre não magnético. Eles usaram espectroscopia de emissão de raios-X (XES) em BESSY II para fazer isso. Os raios X excitaram os elétrons do núcleo nas amostras (Ni ou Cu) para criar os chamados buracos do núcleo, que foram preenchidos pelo decaimento dos elétrons de valência. Essa decadência resulta na emissão de luz, que podem então ser detectados e analisados. As amostras foram medidas em diferentes temperaturas para observar os efeitos das vibrações da rede (fônons) aumentando da temperatura ambiente até 900 graus Celsius.

Conforme a temperatura aumentou, o níquel ferromagnético apresentou forte redução nas emissões. Esta observação se encaixa bem com a simulação teórica de processos na estrutura de banda eletrônica do níquel após excitações:Pelo aumento da temperatura e assim, a população de fônons, a taxa de dispersão entre elétrons e fônons aumenta. Elétrons dispersos não estão mais disponíveis para decaimento, o que resulta em uma diminuição da emissão de luz. Como esperado, no caso do cobre diamagnético, as vibrações da rede dificilmente tiveram qualquer influência nas emissões medidas.

“Acreditamos que nosso artigo é de grande interesse não apenas para especialistas nas áreas de magnetismo, propriedades eletrônicas de sólidos e espectroscopia de emissão de raios-X, mas também para um público mais amplo, curioso sobre os últimos desenvolvimentos neste campo dinâmico de pesquisa, "diz o Dr. Régis Decker, primeiro autor e cientista de pós-doutorado na equipe Föhlisch. O método também pode ser usado para a análise de processos spin flip ultrarrápidos em novos materiais quânticos, como o grafeno, supercondutores ou isolantes topológicos.