Die Beherrschung des Elektronenspins: Hochharmonische Sonden entschlüsseln magnetische Mysterien.

Tunebares ultrakurzes EUV HHG erfasst die konkurrierenden Dynamiken von Spin-Flips und -Transfers in einer Heusler-Verbindung aus Co2MnGa. Bildnachweis: Steven Burrows/Murnane and Kapteyn Groups

Durchbruch in der Forschung ermöglicht präzise Kontrolle von Elektronenspins in magnetischen Materialien, ein bedeutender Schritt in Richtung Entwicklung schnellerer und effizienterer Elektronik.

Tief im Inneren jedes Stücks magnetischen Materials tanzen Elektronen zur unsichtbaren Melodie der Quantenmechanik. Ihre Spins, ähnlich winziger atomarer Kreisel, bestimmen das magnetische Verhalten des Materials, in dem sie sich befinden. Dieses mikroskopische Ballett ist der Grundstein magnetischer Phänomene, und genau diese Spins haben Forscher vom JILA-Team - angeführt von JILA-Fellows und Physikprofessoren der University of Colorado Boulder Margaret Murnane und Henry Kapteyn - gelernt, mit bemerkenswerter Präzision zu kontrollieren und könnten damit die Zukunft der Elektronik und der Datenspeicherung neu definieren.

Wie in einer aktuellen Science Advances Veröffentlichung berichtet, untersuchten das JILA-Team und Mitarbeiter von Universitäten in Schweden, Griechenland und Deutschland die Spindynamik in einem speziellen Material, bekannt als Heusler-Verbindung: eine Mischung aus Metallen, die sich wie ein einzelnes magnetisches Material verhält. Für diese Studie verwendeten die Forscher eine Verbindung aus Cobalt, Mangan und Gallium, die sich als Leiter für Elektronen verhielt, deren Spins nach oben ausgerichtet waren, und als Isolator für Elektronen, deren Spins nach unten ausgerichtet waren.

Mit Hilfe einer Form von Licht namens extrem ultraviolettes Hochharmonikengeneration (EUV HHG) als Sonde konnten die Forscher die Neuorientierungen der Spins innerhalb der Verbindung verfolgen, nachdem sie diese mit einem Femtosekundenlaser angeregt hatten, was dazu führte, dass sich die magnetischen Eigenschaften der Probe veränderten. Die Schlüssel zur genauen Interpretation der Spin-Neuorientierungen war die Möglichkeit, die Farbe des EUV HHG-Sondenlichts einzustellen.

"In der Vergangenheit haben die Leute diese Farbanpassung von HHG nicht durchgeführt", erklärte die Mitautorin und JILA-Doktorandin Sinéad Ryan. "Normalerweise haben Wissenschaftler nur das Signal bei einigen verschiedenen Farben, vielleicht ein oder zwei pro magnetischem Element, gemessen." In einem historischen ersten Schritt stimmte das JILA-Team sein EUV-Lichtsonde auf die magnetischen Resonanzen jedes Elements in der Verbindung ab, um die Spin-Veränderungen mit einer Präzision bis in den Femtosekundenbereich zu verfolgen (ein Billiardstel einer Sekunde).

"Darüber hinaus haben wir auch die Laseranregungsfluoreszenz verändert, so dass wir die Spin-Veränderungen in der Verbindung beeinflussen konnten", erklärte Ryan und betonte, dass dieser Schritt ebenfalls ein experimenteller Erstversuch für diese Art von Forschung war. Durch die Veränderung der Leistung konnten die Forscher die Spin-Veränderungen in der Verbindung beeinflussen.

Mit ihrem neuartigen Ansatz arbeiteten die Forscher mit dem theoretischen Physiker und Mitautor Mohamed Elhanoty von der Uppsala University zusammen, der JILA besuchte, um theoretische Modelle von Spindynamiken mit ihren experimentellen Daten zu vergleichen. Ihre Ergebnisse zeigten eine starke Übereinstimmung zwischen Daten und Theorie. "Wir hatten das Gefühl, mit der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment neue Maßstäbe gesetzt zu haben", fügte Ryan hinzu.

Um die Spin-Dynamik ihrer Heusler-Verbindung genauer zu analysieren, brachten die Forscher ein innovatives Werkzeug auf den Tisch: extreme ultraviolette Hochharmonikensonden. Um diese Sonden herzustellen, fokussierten die Forscher das 800-Nanometer-Laserlicht in eine mit Neon gefüllte Röhre, wo das elektrische Feld des Lasers die Elektronen von ihren Atomen weg- und dann zurückschob. Wenn die Elektronen zurückschnappten, verhielten sie sich wie Gummibänder, die nach dem Dehnen losgelassen wurden, und erzeugten violette Lichtblitze mit einer höheren Frequenz (und Energie) als der Laser, der sie herausgeschleudert hatte. Ryan stimmte diese Blitze auf die Energien des Kobalts und des Mangans in der Probe ab und maß elementspezifische Spindynamiken und magnetisches Verhalten in dem Material, die das Team weiter manipulieren konnte.

In ihrem Experiment stellten die Forscher fest, dass sie durch Anpassung der Leistung des Anregungslasers und der Farbe (oder der Photonenergie) ihrer EUV-Sonde feststellen konnten, welche Spin-Effekte zu verschiedenen Zeiten dominant waren. Sie verglichen ihre Messungen mit einem komplexen Berechnungsmodell namens zeitaufgelöste Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT). Dieses Modell sagt voraus, wie sich eine Wolke von Elektronen in einem Material von Moment zu Moment entwickelt, wenn sie verschiedenen Eingängen ausgesetzt ist.

Using the TD-DFT framework, Elhanoty found agreement between the model and the experimental data due to competing spin effects within the Heusler compound: spin flips up or down and spin transfers. The spin flips happen within one element in the sample as the spins shift their orientation from up to down and vice versa. In contrast, spin transfers happen within multiple elements, in this case, cobalt and manganese, as they transfer spins between each other, causing each material to become more or less magnetic as time progresses. “What he [Elhanoty] found in the theory was that the spin flips were quite dominant on early timescales, and then the spin transfers became more dominant,” explained Ryan. “Then, as time progressed, more de-magnetization effects take over, and the sample de-magnetizes.”

Understanding which effects were dominant at which energy levels and times allowed the researchers to understand better how spins could be manipulated to give materials more powerful magnetic and electronic properties.

“There’s this concept of spintronics, which takes the electronics that we currently have, and instead of using only the electron’s charge, we also use the electron’s spin,” elaborated Ryan. “So, spintronics also have a magnetic component. Using spin instead of electronic charge could create devices with less resistance and less thermal heating, making devices faster and more efficient.”

From their work with Elhanoty and their other collaborators, the JILA team gained a deeper insight into spin dynamics within Heusler compounds. Ryan said: “It was really rewarding to see such a good agreement with the theory and experiment when it came from this really close and productive collaboration as well.” The JILA researchers are hopeful to continue this collaboration in studying other compounds to understand better how light can be used to manipulate spin patterns.