Dominando el Spin Electrónico: Las Sondas de Alta Frecuencia Desvelan Misterios Magnéticos

Tunable ultrafast EUV HHG captura la dinámica competitiva de inversiones de espín y transferencias de espín en un compuesto Heusler Co2MnGa. Crédito: Steven Burrows / Grupos Murnane y Kapteyn

Una investigación revolucionaria permite un control preciso de los spins de electrones en materiales magnéticos, un paso significativo hacia el desarrollo de electrónica más rápida y eficiente.

En lo más profundo de cada material magnético, los electrones bailan al compás invisible de la mecánica cuántica. Sus spins, similares a pequeños trompos atómicos, dictan el comportamiento magnético del material en el que habitan. Este ballet microscópico es la piedra angular de los fenómenos magnéticos, y son estos spins los que un equipo de investigadores de JILA, encabezados por los profesores de física de la Universidad de Colorado Boulder y miembros de JILA Margaret Murnane y Henry Kapteyn, ha aprendido a controlar con una precisión notable, potencialmente redefiniendo el futuro de la electrónica y el almacenamiento de datos.

Según se informa en un artículo reciente de Science Advances, el equipo de JILA y sus colaboradores de universidades en Suecia, Grecia y Alemania, investigaron la dinámica de spins dentro de un material especial conocido como un compuesto Heusler: una mezcla de metales que se comporta como un único material magnético. Para este estudio, los investigadores utilizaron un compuesto de cobalto, manganeso y galio, que se comportaba como un conductor para los electrones cuyos spins estaban alineados hacia arriba y como un aislante para los electrones cuyos spins estaban alineados hacia abajo.

Utilizando una forma de luz llamada generación armónica de alto ultravioleta extremo (EUV HHG) como sonda, los investigadores pudieron rastrear las reorientaciones de los spins dentro del compuesto después de excitarlo con un láser femtosegundos, lo que hizo que la muestra cambiara sus propiedades magnéticas. La clave para interpretar con precisión las reorientaciones de spin fue la capacidad de ajustar el color de la luz de sonda EUV HHG.

"En el pasado, las personas no han hecho esta sintonización de color de HHG", explicó la co-primera autora y estudiante graduada de JILA Sinéad Ryan. "Por lo general, los científicos solo medían la señal en unos pocos colores diferentes, tal vez uno o dos por elemento magnético como máximo. "En un histórico primer lugar, el equipo de JILA ajustó su sonda de luz EUV en las resonancias magnéticas de cada elemento dentro del compuesto para rastrear los cambios de spin con una precisión de femtosegundos (una billonésima de segundo).

"Además, también cambiamos la fluencia de excitación del láser, por lo que estábamos cambiando la cantidad de energía que usamos para manipular los spins", agregó Ryan, destacando que ese paso también fue un hito experimental para este tipo de investigación. Al cambiar la potencia, los investigadores pudieron influir en los cambios de spin dentro del compuesto.

Utilizando su enfoque novedoso, los investigadores colaboraron con el teórico y co-primer autor Mohamed Elhanoty de la Universidad de Uppsala, quien visitó JILA, para comparar los modelos teóricos de cambios de spin con sus datos experimentales. Sus resultados mostraron una fuerte correspondencia entre los datos y la teoría. "Sentimos que habíamos establecido un nuevo estándar con el acuerdo entre la teoría y el experimento", añadió Ryan.

Para adentrarse en la dinámica de spin de su compuesto Heusler, los investigadores llevaron una herramienta innovadora a la mesa: sondas de alto ultravioleta extremo de alta armónica. Para producir las sondas, los investigadores enfocaron luz láser de 800 nanómetros en un tubo lleno de gas neón, donde el campo eléctrico del láser alejó a los electrones de sus átomos y luego los empujó de vuelta. Cuando los electrones se soltaron, actuaron como bandas de goma liberadas después de ser estiradas, creando ráfagas de luz púrpura a una frecuencia (y energía) más alta que el láser que los expulsó. Ryan ajustó estas ráfagas para resonar con las energías del cobalto y el manganeso dentro de la muestra, midiendo dinámicas de spin específicas de elemento y comportamientos magnéticos dentro del material que el equipo pudo manipular aún más.

En su experimento, los investigadores descubrieron que ajustando la potencia del láser de excitación y el color (o la energía fotónica) de su sonda EUV, podían determinar qué efectos de spin eran dominantes en diferentes momentos dentro de su compuesto. Compararon sus mediciones con un modelo computacional complejo llamado teoría de la densidad funcional dependiente del tiempo (TD-DFT). Este modelo predice cómo evolucionará nube de electrones en un material de momento a momento cuando se expone a diferentes entradas.

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.