Laser induced ultrafast Co 3d and Ho 4f spin dynamics in CoHo ferrimagnetic alloys
تؤكد هذه الدراسة تجريبيًا أنه في سبائك CoHo الفيريمغناطيسية، تفقد لفات (spins) الهولميوم 4f مغناطيسيتها ببطء أكبر بكثير (0.87 بيكوثانية) من لفات الكوبالت 3d (0.22 بيكوثانية)، مما يثبت صحة الشروط المقترحة للتبديل الضوئي الشامل بوساطة جدار النطاق.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
غالبًا ما يُنظر إلى المغناطيسية على أنها خاصية ثابتة، وهي صفة دائمة للمواد مثل الحديد التي تسمح لها بالالتصاق بباب الثلاجة. ومع ذلك، عندما يسلط العلماء نبضة فائقة السرعة من ضوء الليزر على مواد مغناطيسية معينة، يمكنهم تعطيل هذا النظام في جزء من الثانية. هذا المجال، المعروف باسم "المغناطيسية الفيمتو ثانية" (femtomagnetism)، يستكشف كيف تتفاعل الدورات المغناطيسية (magnetic spins) —وهي بمثابة البوصلات الداخلية الصغيرة للذرات— مع الدفقات المفاجئة من الطاقة. يصبح السلوك أكثر تعقيدًا في السبائك المكونة من نوعين مختلفين من العناصر المغناطيسية: المعادن الانتقالية والمعادن الأرضية النادرة. في هذه المواد، تكون أنواع الذرات هذه مقترنة معًا ولكنها تشير في اتجاهات متعاكسة، مما يخلق توازنًا دقيقًا. لقد حاول الباحثون طويلاً فهم كيفية قلب الاتجاه المغناطيسي لهذه المواد باستخدام نبضة ليزر واحدة فائقة السرعة، وهي عملية قد تُحدث ثورة في كيفية تخزين البيانات في أجهزة الكمبيوتر. ويبدو أن المفتاح في آلية القلب هذه يكمن في التوقيت: إذا فقد أحد أنواع الذرات قوته المغناطيسية بسرعة أكبر بكثير من النوع الآخر، فإنه يخلق نافذة من الفرص لكي تغير المادة بأكملها توجهها.
وضع فريق من الباحثين هدفًا لاختبار نظرية محددة حول هذا التوقيت باستخدام سبيكة مكونة من الكوبالت والهولميوم. وبينما بحثت دراسات سابقة في مواد مماثلة تحتوي على الديسبروزيوم، ظل السلوك فائق السرعة للهولميوم لغزًا. كان على العلماء معرفة ما إذا كان الهولميوم يتفاعل ببطء كافٍ للسماح لآلية التبديل المقترحة بالعمل. ولمعرفة ذلك، قاموا بإنشاء أغشية رقيقة من سبيكة الكوبالت والهولميوم وأخضعوها لنبضات ليزر مكثفة في نطاق الفيمتو ثانية. ثم استخدموا تقنيتين مختلفتين للقياس عالي السرعة لمراقبة ما يحدث للدورات المغناطيسية لذرات الكوبالت والهولميوم بشكل منفصل. تتبعت إحدى الطريقتين ذرات الكوبالت، بينما سمحت لهم التقنية الأخرى الأكثر تخصصًا بمراقبة ذرات الهولميوم مباشرة.
كشفت النتائج عن اختلاف صارخ في كيفية استجابة العنصرين لليزر. تفاعلت ذرات الكوبالت بشكل فوري تقريبًا، حيث فقدت نظامها المغناطيسي في حوالي 0.22 بيكو ثانية. هذه مدة قصيرة للغاية، وهي جزء من تريليون من الثانية، لكنها كانت سريعة بما يكفي ليجعل الكوبالت "ينسى" اتجاهه المغناطيسي بشكل فوري تقريبًا. في المقابل، تمسكت ذرات الهولميوم بمحاذاتها المغناطيسية لفترة أطول، حيث استغرقت حوالي 0.87 بيكو ثانية لتفقد مغناطيسيتها. وهذا يعني أنه لفترة وجيزة بعد اصطدام الليزر، كان الكوبالت غير منظم تمامًا بينما كان الهولميوم لا يزال يحاول الحفاظ على بنيته المغناطيسية. هذه الفجوة الزمنية هي بالضبط ما كان يبحث عنه الباحثون. إنها تدعم الفكرة القائلة بأن ذرات الهولميوم الأبطأ يمكنها نقل زخمها الزاوي إلى ذرات الكوبالت الأسرع وغير المنظمة، مما يدفع المادة بأكملها فعليًا لقلب قطبها المغناطيسي.
كما أكدت الدراسة أن هذا السلوك يتوافق مع ما لوحظ في سبائك أخرى، مثل تلك التي تحتوي على الديسبروزيوم، ولكنه يختلف عن السبائك التي تحتوي على التيربيوم. في حالة التيربيوم، تتفاعل الذرات بسرعة كبيرة جدًا، مما يغلق النافذة الزمنية اللازمة لهذا النوع المحدد من التبديل. ومن خلال قياس السرعات الدقيقة لدورات الكوبالت والهولميوم، قدم الباحثون الدليل التجريبي المفقود اللازم لإثبات نموذج التبديل الضوئي الكامل في هذه المواد. وتظهر أعمالهم أن الفرق الفريد في السرعة بين نوعي الذرات ليس مجرد فضول، بل هو متطلب أساسي لطريقة جديدة للتحكم في المغناطيسية باستخدام الضوء. يساعد هذا الاكتشاف في تضييق نطاق المواد المناسبة لتقنيات تخزين البيانات عالية السرعة في المستقبل، مما يقرب المجال من فهم كيفية هندسة السبائك المغناطيسية التي يمكن تبديلها بومضة ضوئية واحدة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.