Padroneggiare la rotazione dell'elettrone: Sonda degli armonici superiori svelano i misteri magnetici

Tunable ultrafast EUV HHG cattura la competizione dinamica di flip e trasferimenti di spin in un composto Heusler Co2MnGa. Crediti: Steven Burrows /Gruppi Murnane e Kapteyn

La ricerca rivoluzionaria consente un controllo preciso degli spin degli elettroni nei materiali magnetici, un passo significativo verso lo sviluppo di elettronica più veloce ed efficiente.

All'interno di ogni materiale magnetico, gli elettroni danzano al ritmo invisibile della meccanica quantistica. I loro spin, simili a piccole trottole atomiche, influenzano il comportamento magnetico del materiale in cui risiedono. Questo balletto microscopico è la base dei fenomeni magnetici e sono proprio questi spin che un team di ricercatori di JILA - guidato dai membri di JILA e dai professori di fisica dell'Università del Colorado Boulder Margaret Murnane e Henry Kapteyn - ha imparato a controllare con una precisione notevole, ridefinendo potenzialmente il futuro dell'elettronica e dello storage dei dati.

Come riportato in un recente articolo di Science Advances, il team di JILA e i collaboratori di università in Svezia, Grecia e Germania hanno indagato la dinamica di spin all'interno di un materiale speciale noto come composto Heusler: una miscela di metalli che si comporta come un unico materiale magnetico. Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un composto di cobalto, manganese e gallio, che si comportava come un conduttore per gli elettroni con spin allineato verso l'alto e come un isolante per gli elettroni con spin allineato verso il basso.

Utilizzando una forma di luce chiamata generazione armonica estrema ultravioletta (EUV HHG) come sonda, i ricercatori hanno potuto tracciare le ri-orientazioni degli spin all'interno del composto dopo averlo eccitato con un laser femtosecondo, che ha causato un cambiamento delle proprietà magnetiche del campione. La chiave per interpretare con precisione le ri-orientazioni degli spin era la capacità di regolare il colore della luce sonda EUV HHG.

"In passato, le persone non hanno fatto questa regolazione del colore di HHG", ha spiegato la co-prima autrice e studentessa di dottorato di JILA Sinéad Ryan. "Di solito, gli scienziati misuravano solo il segnale a pochi colori diversi, forse uno o due per elemento magnetico al massimo." Per la prima volta nella storia, il team di JILA ha regolato la luce sonda EUV suonicchie di risonanza magnetica di ogni elemento nel composto per tracciare i cambiamenti di spin con una precisione fino ai femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo).

"Inoltre, abbiamo anche cambiato la potenza dell'eccitazione del laser, quindi abbiamo cambiato quanto potere abbiamo usato per manipolare gli spin", ha spiegato Ryan, sottolineando che quel passaggio è stato anche un'iniziativa sperimentale per questo tipo di ricerca. Modificando la potenza, i ricercatori hanno potuto influenzare i cambiamenti di spin all'interno del composto.

Utilizzando il loro approccio innovativo, i ricercatori hanno collaborato con il teorico e co-primo autore Mohamed Elhanoty dell'Università di Uppsala, che ha visitato JILA, per confrontare i modelli teorici di cambiamento di spin con i loro dati sperimentali. I risultati hanno mostrato una forte corrispondenza tra dati e teoria. "Abbiamo ritenuto di aver stabilito un nuovo standard con l'accordo tra teoria ed esperienza", ha aggiunto Ryan.

Per approfondire la dinamica degli spin del loro composto Heusler, i ricercatori hanno portato sul tavolo uno strumento innovativo: le sonde EUV high-harmonic. Per produrre le sonde, i ricercatori hanno focalizzato la luce laser da 800 nanometri in un tubo riempito di gas neon, dove il campo elettrico del laser ha allontanato gli elettroni dai loro atomi e poi li ha spinti indietro. Quando gli elettroni sono tornati indietro, si sono comportati come elastici rilasciati dopo essere stati allungati, creando esplosioni di luce viola a una frequenza (ed energia) superiore al laser che li ha espulsi. Ryan ha sintonizzato queste esplosioni per risuonare con le energie del cobalto e del manganese all'interno del campione, misurando la dinamica degli spin specifici degli elementi e i comportamenti magnetici all'interno del materiale che il team potrebbe manipolare ulteriormente.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno scoperto che regolando la potenza del laser di eccitazione e il colore (o l'energia dei fotoni) della loro sonda EUV, potevano determinare quali effetti di spin erano dominanti in diversi momenti all'interno del loro composto. Hanno confrontato le loro misurazioni con un modello computazionale complesso chiamato teoria funzionale di densità dipendente dal tempo (TD-DFT). Questo modello predice come una nuvola di elettroni in un materiale si evolverà da momento a momento quando esposta a varie influenze.

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.