Combinando experimento e teoria, pesquisadores do Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI) e do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura desvendaram como os pulsos de laser podem manipular a magnetização por meio de transferência ultrarrápida de elétrons entre átomos.

Filmes nanométricos de materiais magnéticos são substratos de teste ideais para estudar problemas fundamentais em magnetismo. Esses filmes magnéticos finos têm importantes aplicações tecnológicas, por exemplo, eles são usados ​​em dispositivos de armazenamento de dados de massa magnética usados ​​em centros de armazenamento de dados em nuvem. Na tecnologia atual, a magnetização nesses filmes finos é manipulada por meio de campos magnéticos, mas também é possível influenciar a magnetização usando pulsos de laser. Quando exposto a pulsos de luz ultracurtos de apenas algumas dezenas de femtossegundo de duração (1 femtossegundo =1 milionésimo de um bilionésimo de segundo), a magnetização abaixo do ponto do laser muda. Em sistemas simples, esta mudança freqüentemente corresponde a uma simples diminuição na magnitude da magnetização. Em sistemas de materiais mais complexos, Contudo, o pulso de luz também pode reverter permanentemente a magnetização. Em tais casos, os cientistas falam de comutação de magnetização totalmente óptica com aplicações potenciais óbvias. A notável velocidade desse processo de comutação ainda não foi compreendida. Por esta razão, grupos de pesquisa em todo o mundo estão investigando os processos microscópicos subjacentes ao femtomagnetismo.

Pesquisadores do Instituto Max Born de Berlim e do Instituto Max Planck de Física da Microestrutura em Halle, combinando trabalho experimental e teórico, agora testemunharam um novo processo microscópico, chamado transporte óptico de rotação entre locais (OISTR), isso foi previsto apenas recentemente. O processo pode ocorrer quando átomos adequados de diferentes tipos são adjacentes em um sólido. Sob condições adequadas, um pulso de luz desencadeia um deslocamento de elétrons de um átomo para seu vizinho. Mais importante, isso acontece predominantemente com elétrons de uma orientação de spin particular, e assim influencia a magnetização local. Este processo ocorre durante a excitação óptica e não depende de mecanismos secundários. Isto é, Portanto, o processo mais rápido imaginável levando a uma mudança induzida pela luz no magnetismo.

Um átomo em um sólido que é magnetizado pode ser retratado como tendo reservatórios separados de elétrons de spin para cima e para baixo, que são preenchidos em uma extensão diferente. Para um átomo de cobalto (Co) e platina (Pt) que são vizinhos um do outro em uma liga de CoPt, isso é esboçado na Figura 1. A diferença no número de elétrons de spin para cima e para baixo (desenhados em vermelho e azul) determina a quantidade de magnetização do átomo. Se a magnetização for reduzida, o número dos dois tipos de spin deve ser igualado. Um processo bem conhecido para nivelar ambos os reservatórios em um átomo é um spin-flip, no qual, por exemplo, um elétron spin-down se transforma em um elétron spin-up - representado por um salto do balde azul para o balde vermelho na Figura 1. Esses spin-flips ocorrem predominantemente em átomos pesados ​​como Pt, onde o spin reage de maneira particularmente sensível ao movimento do elétron - os físicos falam de um grande acoplamento spin-órbita. O momento angular emitido neste processo spin-flip é absorvido por todo o conjunto de átomos no sólido.

No presente estudo, publicado no jornal Nature Communications , os pesquisadores investigaram dois sistemas modelo, uma camada de Co puro e uma liga de CoPt. A equipe monitorou a absorção de pulsos ultracurtos de raios-X suaves com comprimento de onda e polarização controlados após uma excitação de pulso de laser e comparou seus achados experimentais a cálculos teóricos, conforme mostrado na Figura 2. Desta forma, as mudanças no número de elétrons com spin-up e spin-down desencadeadas pelo pulso de laser inicial poderiam ser estudadas separadamente para os átomos de Co e Pt.

A comparação entre o sistema simples contendo exclusivamente átomos de Co (painéis à esquerda na Figura 2) e a liga, contendo átomos de Co e Pt (painéis da direita) mostra diferenças pronunciadas no comportamento de absorção, que são independentemente previstos pelos cálculos teóricos. Essas diferenças surgem porque na liga CoPt pode ocorrer um processo adicional no qual os elétrons são transferidos entre os diferentes tipos de átomos vizinhos.

Devido ao pulso de laser, elétrons dentro do sólido são transferidos dos átomos de Pt para os átomos de Co. Acontece que estes são preferencialmente elétrons spin-down, porque muitos estados vazios para elétrons spin-down estão disponíveis no site Co receptor. No átomo Co, os elétrons transferidos, portanto, aumentar o nível dos elétrons de spin-down (vermelho na Figura 2), tornando-o mais semelhante ao reservatório de spin-up e, portanto, reduzindo o momento magnético do átomo de Co. Este processo OISTR entre Pt e Co é acompanhado por um nivelamento dos reservatórios de elétrons localmente nos átomos de Pt via spin flips. Este spin-flip acontece de forma eficiente nos átomos de Pt pesados ​​exibindo grande acoplamento spin-órbita e apenas em uma extensão muito menor nos átomos de Co mais leves.

Os resultados detalhados do estudo mostram que a capacidade de manipular opticamente a magnetização via transporte óptico de spin entre locais depende crucialmente dos estados disponíveis para elétrons de spin up e spin down dos átomos envolvidos. Esses estados podem ser ajustados reunindo os tipos certos de átomos em novos materiais. A compreensão dos mecanismos microscópicos envolvidos na manipulação óptica da magnetização, portanto, abre o caminho para um design racional de novos materiais magnéticos funcionais, permitindo o controle ultrarrápido da magnetização por meio de pulsos de laser.