Exchange scaling of ultrafast angular momentum transfer in 4 antiferromagnets
Combinando la diffrazione di raggi X molli risolta nel tempo con calcoli ab-initio, questo studio dimostra che il tasso di trasferimento del momento angolare ultrafast nei ferromagneti 4f è direttamente determinato dall'entità dell'interazione RKKY, offrendo un nuovo percorso per regolare finemente la velocità dei dispositivi magnetici variando l'occupazione 4f.
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Le proprietà magnetiche della materia non riguardano solo la direzione in cui punta l'ago di una bussola; riguardano il movimento invisibile e vorticoso degli elettroni che conferisce ai materiali la loro personalità magnetica. In molti metalli, questo magnetismo deriva da elettroni che sono liberi di vagare, portando con sé la propria influenza magnetica mentre si muovono. In altri materiali, specificamente quelli contenenti elementi delle terre rare, gli elettroni magnetici sono strettamente legati ai loro atomi genitori, incapaci di vagare liberamente. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che quando si colpisce un magnete con un lampo di luce, esso perde il suo magnetismo. Nei materiali a elettroni vaganti, ciò accade perché l'energia si dissipa nella struttura cristallina circostante, molto simile a una trottola che rallenta mentre sfrega contro un tavolo. Tuttavia, nei materiali a elettroni bloccati, esiste una possibilità diversa: gli atomi magnetici potrebbero semplicemente scambiare la direzione dello spin con un vicino, passando il momento angolare direttamente dall'uno all'altro senza che il reticolo cristallino debba assorbire l'energia. Questo trasferimento diretto promette di essere molto più veloce, permettendo potenzialmente dispositivi magnetici che cambiano stato in un battito di ciglia. La domanda rimasta senza risposta è se questo scambio diretto avvenga effettivamente in questi materiali a elettroni bloccati e, in caso affermativo, cosa ne controlli la velocità.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito studiando una specifica famiglia di cristalli composti da elementi delle terre rare combinati con rodio e silicio. Hanno scelto questi materiali perché condividono una struttura stratificata identica, in cui gli atomi magnetici sono disposti in strati alternati, puntando in direzioni opposte. Questa disposizione perfetta ha permesso agli scienziati di confrontare diversi elementi delle terre rare fianco a fianco senza la confusione derivante dal cambiare forme cristalline o modelli magnetici. L'unica cosa che cambiava da un campione all'altro era il numero di elettroni bloccati che orbitano attorno all'atomo centrale. Facendo incidere un impulso laser ultrafast su questi cristalli, i ricercatori hanno eccitato gli elettroni e poi hanno utilizzato impulsi di raggi X estremamente brevi per osservare come l'ordine magnetico collassasse nel tempo. Hanno osservato che il magnetismo non svaniva semplicemente; calava in due fasi distinte. La prima era un rapido, minuscolo calo, seguito da un declino più lento e significativo. La velocità di questo declino variava enormemente tra i diversi materiali, passando da un millionesimo di secondo a oltre cento millionesimi di secondo a seconda dell'elemento delle terre rare utilizzato.
Per capire perché la velocità cambiasse così drasticamente, i ricercatori hanno cercato un modello nei dati. Hanno scoperto che la velocità con cui gli atomi magnetici scambiavano il loro momento angolare era direttamente collegata alla forza della forza invisibile che li connette. Questa forza, nota come interazione Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, è una sorta di stretta di mano magnetica mediata dal mare di elettroni liberi che fluttuano tra gli atomi bloccati. I ricercatori hanno scoperto che più forte era questa stretta di mano, più velocemente gli atomi magnetici potevano scambiare i loro spin. Hanno confermato questa connessione eseguendo simulazioni informatiche dettagliate che calcolavano la forza dell'accoppiamento magnetico per ogni elemento. Le simulazioni mostravano una corrispondenza perfetta con i dati sperimentali: la velocità dello scambio di spin scalava direttamente con la forza dell'interazione tra gli atomi. Ciò ha confermato che il modo principale in cui questi materiali perdono il loro magnetismo non è scaricando l'energia nel reticolo cristallino, ma passando lo spin direttamente da un atomo al suo vicino.
Lo studio ha anche rivelato che questo trasferimento diretto non è l'unica cosa che accade. Anche nei materiali più veloci, c'era un limite di velocità basale che non poteva essere battuto, suggerendo che parte dell'energia dovesse comunque trovare la strada verso il reticolo cristallino. Tuttavia, il fattore dominante che controllava la velocità era chiaramente la forza della connessione tra gli atomi. Questa scoperta è significativa perché suggerisce un nuovo modo per controllare i dispositivi magnetici. Invece di cercare di cambiare gli atomi stessi, gli ingegneri potrebbero regolare la velocità del commutamento magnetico manipolando gli elettroni liberi che li connettono. Ciò potrebbe essere fatto applicando pressione, cambiando la composizione chimica o usando campi elettrici per alterare il mare di elettroni. La ricerca dimostra che comprendendo e regolando queste connessioni invisibili, è possibile progettare materiali magnetici che operano a velocità precedentemente ritenute impossibili, aprendo la porta a una nuova generazione di tecnologia dell'informazione ultrafast.
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