光消磁，磁性材料中消失的角动量之谜
二十多年前，物理学家注意到磁性材料的一个奇特之处：当镍磁性薄膜受到短脉冲激光轰击时，它们的磁化强度几乎立即降低。在飞秒（十亿分之一秒）内，它就会消磁，材料中电子的角动量（称为自旋）也因此会急剧下降，甚至比材料自身旋转的速度要快得多。通常，当每个电子的固有角动量（或自旋）与其相邻电子的角动量平行排列时，材料就具有磁性。因为电子带有电荷，这种角动量会产生一个磁矩，类似于电流流过线圈时产生的磁矩。
然而，根据能量守恒定律，在封闭的物理系统中，所有角动量的总和保持不变，因此自旋不能简单地消失。相反，它必须以某种形式转移到其他地方，但是直到现在还不清楚这是如何在飞秒内发生的。当镍薄膜迅速退磁时，它的自旋角动量到底转移到了哪里呢？这一直是物理学界的一个未解之谜。
虽然科学家们一直在试图努力了解这个物理现象背后的原理，但是大多数研究所使用的都是对电子自旋敏感的技术，只能证明角动量从自旋系统中丢失，但是无法准确确定它的去向。
近日，来自德国康斯坦茨大学P. Baum和U. Nowak教授团队在Nature发表了题为“Polarized phonons carry angular momentum in ultrafast demagnetization”的研究论文，找到了这个问题的答案。研究人员通过使用一种超快电子衍射技术研究镍单晶薄膜的晶格动力学，发现镍晶格的振动模式承载了大部分损失的角动量。也就是说，在退磁过程中，晶体的电子在几百飞秒内将它们的角动量转移到晶格的原子。就像旋转木马上的乘客一样，原子在微小的电路上运动，从而平衡角动量。这些发现为极快地控制角动量提供了新的方法，为今后改进磁信息技术或自旋电子学的新研究方向开辟了新的可能性。
图1. 在超快退磁期间，磁矩的旋转导致原子立即旋转运动。
超快电子衍射技术，可以在原子水平和飞秒时间尺度上观察原子的运动
为了解决这个物理难题，研究人员进行了一项类似于1915 年由物理学家Albert Einstein 和 Wander Johannes de Haas 首次报道的磁性实验。他们发现，当磁性物体的磁化反转时，磁性物体会机械旋转。电子角动量产生的磁矩的大小由电子的荷质比（旋磁比）决定。但是由于电子的质量非常小，相当大的磁矩只会产生很小的角动量——这使得 Einstein-de Haas 测量非常具有挑战性，特别是相对于镍发生退磁的时间尺度。因此，科学家们需要一种能够在超快时间尺度上直接跟踪晶格中角动量流动的技术。
超快电子衍射技术是一种能够在时间和空间尺度上高度精确的测量方法，可以在原子水平观察到材料结构的变化过程。研究人员通过使用超快电子衍射技术研究镍单晶薄膜的退磁过程：首先，他们将镍晶体沿特定方向磁化，然后将样品暴露于 100 飞秒长的激光脉冲来诱导退磁。研究发现，在垂直于初始磁化强度方向上观察到与长期晶格振动群体一致的响应（称为声子）。声子是周期性晶格的可能振动模式，代表集体激发，这些声子出现在光击中样品的 1 皮秒（1 ps 是 10 −12 s）内。
图2. 泵浦探针电子衍射测量超快退磁期间的原子运动。
有趣的是，研究人员观察到声子还有一个角动量，即原子在一个垂直于由电子自旋定义的磁化轴的平面上围绕它们的平衡位置旋转。这表明，在退磁过程中损失的自旋角动量在大小和方向上与出现声子的大小和方向相当。通过进一步的实验、模拟和理论，研究人员得出结论：声子能迅速吸收电子的角动量，导致整个样品在后期旋转（图 3）。这些结果提供了爱因斯坦-德哈斯效应的原子图像，并表明极化声子对非平衡动力学和相变的普遍重要性。
图3. 脉冲激光使磁性材料退磁，并在飞秒时间尺度上发生轻微旋转。
图4.分子动力学模拟表征
“我们的实验和模拟表明，电子的角动量在晶体磁序丢失的同一时间尺度上局部转移到晶格原子，”Ulrich Nowak 解释说。起初，一些原子开始围绕它们原来的静止位置在圆形轨道上移动。通过与相邻原子的相互作用，这种运动以及角动量非常迅速地转移到所有其他原子。最后，整个晶格在微小的圆形轨道上均匀地振荡。物理学家通常将这种集体晶格振动称为“声子”。在所描述的特殊情况下，这些声子是圆极化的，因此带有角动量。
晶格振动可以传输自旋，为开发新型磁性电子产品开辟新的道路
这项工作清楚地表明了声子在自然发生的材料超快退磁过程中作为角动量载体的关键作用。换句话说，利用基于声子或声子辅助的自旋输运在自旋电子学中的应用以及提高超快磁开关的速度和效率是可能的。极化声子或具有角动量的相关混合准粒子的专用激发和随后探测也可以为从原子角度理解和优化复杂材料的功能提供创新方法。
“这不仅解决了固态物理学中的一个古老谜团，而且同时提供了实验证明，证明极化晶格振动确实可以非常有效地以超快的方式传输角动量，” P. Baum说道。 “这种效应可用于使用激光控制磁性材料，并可能为传统电子产品创造更有效的替代品。
“我们希望这将使我们能够在未来生产改进的组件。”Ulrich Nowak 解释说。 “通过证明晶格振动可以传输自旋，我们为开发自旋电子学中的新型设备开辟了一条新的、有潜力的道路。”
