Laser induced ultrafast Co 3d and Ho 4f spin dynamics in CoHo ferrimagnetic alloys
本研究は、フェリ磁性CoHo合金において、ホルミウムの4fスピンがコバルトの3dスピン（0.22 ps）よりも著しく遅く（0.87 ps）脱磁することを実験的に確認しており、それによってドメイン壁を介した全光学的トグルスイッチングの提案された条件を検証している。
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磁性は、鉄のような材料が持つ永久的な性質であり、冷蔵庫のドアに張り付くような静的な特性であるとしばしば考えられています。しかし、科学者が特定の磁性材料に極めて高速なレーザー光のパルスを照射すると、その秩序をわずか一瞬のうちに乱すことができます。フェムト磁性として知られるこの分野は、磁気スピン（原子の微小な内部コンパス）が突然のエネルギーの放出に対してどのように反応するかを探求しています。この挙動は、遷移金属と希土類金属という2種類の異なる磁性元素からなる合金において、さらに複雑になります。これらの材料では、2種類の原子が互いに結合していますが、逆の方向を向いており、繊細なバランスを生み出しています。研究者たちは、単一の超高速レーザーパルスを用いてこれらの材料の磁気方向を反転させる方法を長年理解しようとしてきました。このプロセスは、コンピュータにおけるデータ保存の方法に革命をもたらす可能性があります。この反転メカニメントの鍵は、タイミングにあるようです。もし一方の原子が他方よりもはるかに速く磁力を失うならば、材料全体の向きを切り替えるための「機会の窓」が生じるのです。
ある研究チームは、コバルトとホルミウムからなる合金を用いて、このタイミングに関する特定の理論を検証することを目的としました。これまでの研究では、ジスプロシウムを含む同様の材料が調査されてきましたが、ホルミウムの超高速な挙動は謎のままでした。科学者たちは、ホルミウムが提案されたスイッチングメカニズムを機能させるのに十分なほどゆっくりと反応するかどうかを知る必要がありました。それを確かめるために、彼らはコバルト・ホルミウム合金の薄膜を作成し、強力なフェムト秒レーザーパルスを照射しました。そして、2つの異なる高速測定技術を用いて、コバルト原子とホルミウム原子の磁気スピンがそれぞれどのように変化するかを観察しました。一方の手法はコバルト原子を追跡し、もう一つのより特殊な手法によって、ホルミウム原子を直接観察することが可能となりました。
結果は、2つの元素の反応における劇的な違いを明らかにしました。コバルト原子はほぼ即座に反応し、約0.22ピコ秒で磁気秩序を失いました。これは1兆分の1秒という極めて短い時間ですが、コバルトが実質的に瞬時に磁気方向を「忘れる」には十分な速さでした。対照的に、ホルミウム原子は磁気的な整列をより長く維持し、脱磁するまでに約0.87ピコ秒を要しました。これは、レーザーが当たった直後のごく短い間、コバルトは完全に無秩序状態である一方で、ホルミウムは依然として磁気構造を維持しようとしていることを意味します。この時間差こそが、研究者たちが求めていたものです。これは、より遅いホルミウム原子が、より速く無秩序になったコバルト原子へと角運動量を転移させ、事実上、材料全体の磁極を反転させる方向に押し出すという考えを裏付けています。
また、この挙動は、ジスプロシウムを含む他の合金で観察されているものと一致しているものの、テルビウムを含む合金とは異なることも確認されました。テルビウムの場合、原子が反応しすぎるため、この特定のタイプのスイッチングに必要な時間の窓が閉じてしまいます。コバルトとホルミウムのスピンの正確な速度を測定することで、研究者たちは、これらの材料における全光スイッチングのモデルを検証するために必要な、欠けていた実験的証拠を提供しました。彼らの研究は、2種類の原子間の独特な速度差が単なる好奇心の対象ではなく、光で磁性を制御するための新しい方法における根本的な要件であることを示しています。この発見は、将来の高速データストレージ技術に適した材料を絞り込み、光の一閃で磁性合金を切り替える方法を正確に理解するという分野を前進させています。
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