Long-lived nonequilibrium spin configuration induced by dual optical excitation

Il magnetismo è spesso considerato una proprietà statica, una qualità permanente di materiali come il ferro che semplicemente esiste. In realtà, tuttavia, lo stato magnetico di un materiale è un equilibrio dinamico, un continuo tiro alla fune tra i minuscoli spin degli elettroni e il calore dell'ambiente circostante. Quando gli scienziati colpiscono un materiale magnetico con un impulso laser potente e ultrafast, possono interrompere questo equilibrio in una frazione di secondo, costringendo il materiale in uno stato lontano dal suo equilibrio naturale. Questo campo di studio, noto come magnetismo ultrafast, mira a capire come questi spin reagiscono e tornano a stabilizzarsi. La sfida risiede nella velocità del processo: nei metalli, l'energia di un impulso laser si diffonde e si trasforma in calore quasi istantaneamente, solitamente entro pochi trilionesimi di secondo. Una volta che ciò accade, il materiale si comporta come un oggetto caldo che si raffredda, e gli stati unici, non termici, che potrebbero permettere nuovi modi per controllare il magnetismo, svaniscono. Per decenni, i ricercatori hanno lottato per trovare un modo per mantenere in vita questi speciali stati non termici abbastanza a lungo da essere utili, poiché la tendenza naturale del sistema è quella di tornare a un semplice equilibrio termico.

Un team di ricercatori ha ora scoperto un modo per aggirare questo rapido ritorno al calore utilizzando un trucco specifico con la luce. Invece di colpire un sottile film di una lega magnetica chiamata GdFeCo con un singolo impulso laser, lo hanno colpito con due impulsi esattamente contemporaneamente. Il materiale studiato è un film amorfo, il che significa che i suoi atomi sono disposti casualmente piuttosto che in una griglia cristallina, e possiede una proprietà unica per cui il suo magnetismo può essere facilmente manipolato dalla luce. Regolando attentamente l'intensità di questi due impulsi simultanei, gli scienziati hanno osservato qualcosa di inaspettato: gli spin magnetici non si sono solo riscaldati e stabilizzati rapidamente. Invece, sono entrati in uno stato in cui la loro oscillazione, o traballamento, è durata per centinaia di picosecondi — centinaia di trilionesimi di secondo — molto più a lungo del solito. Questo stato prolungato suggerisce che il materiale sia stato mantenuto in una specifica configurazione non termica che non si verifica quando il materiale viene colpito da un singolo impulso, anche se la quantità totale di energia consegnata è la stessa.

L'esperimento è stato progettato per distinguere tra due possibili cause di questo strano comportamento. Quando due fasci laser colpiscono una superficie con angolazioni leggermente diverse, creano un modello di strisce chiare e scure, proprio come le increspature che si formano quando due pietre vengono gettate in uno stagno. Questo schema significa che alcune parti del materiale si scaldano più di altre, il che potrebbe teoricamente causare la perdita di ritmo degli spin magnetici a ritmi diversi, facendo apparire il segnale complessivo come se si esaurisse più velocemente. I ricercatori sapevano che questo "dephasing magnetostatico" era un effetto reale che accadeva nelle prime fasi, ma dovevano vedere se qualcos'altro stesse accadendo più tardi. Hanno predisposto una configurazione simmetrica in cui potevano cambiare gradualmente l'intensità di un raggio laser mantenendo fisso l'altro, scivolando efficacemente da uno scenario a singolo impulso a uno a doppio impulso. Hanno scoperto che, a un intervallo di energia totale molto specifico, il comportamento del materiale cambiava drasticamente. Il traballamento magnetico è diventato molto più stabile, durando molto più a lungo rispetto a qualsiasi altro intervallo di energia, e la sua frequenza è aumentata leggermente.

Questa specifica finestra di energia è la chiave della scoperta. Se l'effetto fosse stato semplicemente causato dal pattern di calore o dalla quantità totale di energia, i cambiamenti sarebbero avvenuti gradualmente all'aumentare dell'energia. Invece, i ricercatori hanno osservato un cambiamento netto e distinto che si verificava solo quando entrambi i impulsi erano presenti insieme. Hanno misurato la durata di questo effetto analizzando il segnale in finestre temporali scorrevoli, muovendosi dai primissimi istanti dopo l'impatto del laser fino a diverse centinaia di picosecondi dopo. Hanno scoperto che la perturbazione iniziale causata dal pattern di calore svaniva rapidamente, entro circa 100 picosecondi. Tuttavia, la stabilità potenziata del traballamento magnetico persisteva per l'intera durata della loro misurazione, durando almeno 300 picosecondi. Questa lunga durata prova che l'effetto non è solo una confusione temporanea causata da un riscaldamento non uniforme, ma un cambiamento fondamentale nel modo in cui il materiale si rilassa. Il materiale era effettivamente "intrappolato" in uno stato in cui gli spin potevano continuare a muoversi in unisono molto più a lungo di quanto la fisica normalmente consenta.

Per capire cosa stesse accadendo all'interno del materiale, i ricercatori hanno esaminato le regole microscopiche che governano il modo in cui gli elettroni perdono il loro spin. Nei metalli, gli elettroni solitamente rimbalzano contro atomi o altri elettroni e, durante queste collisioni, c'è una piccola probabilità che invertano la direzione dello spin, il che causa la rottura dell'ordine magnetico. Questo processo è governato da un parametro che descrive la facilità con cui lo spin può mescolarsi con il moto dell'elettrone. I ricercatori hanno scoperto che l'eccitazione a doppio impulso sembrava ridurre questa probabilità di mescolamento. In termini più semplici, i due laser lavorando insieme sembravano creare un ambiente elettronico in cui gli elettroni erano meno propensi a invertire lo spin durante le collisioni. Questa riduzione dell'inversione dello spin ha permesso al moto magnetico collettivo di sopravvivere per un tempo molto più lungo. Il fatto che anche la frequenza del traballamento sia aumentata leggermente suggerisce che questo non fosse un semplice effetto termico, poiché il riscaldamento di un magnete solitamente lo fa traballare più lentamente, non più velocemente.

Lo studio esclude l'idea che questo sia meramente il risultato del fatto che il materiale si stia scaldando o che il pattern spaziale della luce stia interferendo con la misurazione. I ricercatori hanno dimostrato che l'effetto è riproducibile e dipende dal percorso specifico che la luce compie per eccitare il materiale, piuttosto che dalla sola quantità di energia depositata. Hanno anche escluso la possibilità che il segnale fosse un mix confuso di diverse frequenze, confermando che il materiale oscillava come un'unità singola e coerente. Le scoperte suggeriscono che, utilizzando due campi di luce coerenti simultaneamente, gli scienziati possono guidare lo stato elettronico di un materiale verso una configurazione che è inaccessibile con un singolo impulso. Questa configurazione è uno stato non di equilibrio a lunga durata, dove le regole del rilassamento dello spin sono temporaneamente alterate.

Questo lavoro apre una nuova prospettiva su come potremmo controllare i materiali magnetici. Dimostra che il modo in cui l'energia viene consegnata — il percorso specifico e la tempistica dell'eccitazione — conta tanto quanto la quantità di energia stessa. Scegliendo la combinazione giusta di impulsi luminosi, è possibile accedere a stati nascosti della materia che non sono disponibili attraverso il riscaldamento convenzionale o l'eccitazione a singolo impulso. Sebbene i dettagli microscopici esatti di come i due campi di luce interagiscono per creare questo stato rimangano oggetto di ricerche future, il risultato è chiaro: il metodo a doppio impulso fornisce un nuovo strumento per l'ingegneria delle proprietà magnetiche. Suggerisce che in futuro potremmo essere in grado di usare la luce non solo per riscaldare o commutare i magneti, ma per stabilizzare specifici stati magnetici per periodi più lunghi, portando potenzialmente a nuovi modi per elaborare informazioni o memorizzare dati che operano su scale temporali e principi precedentemente ritenuti impossibili.