Duboko u svakom komadu magnetnog materijala, elektroni plešu uz nevidljivu melodiju kvantne mehanike. Njihova okretanja, slična malim atomskim vrhovima, diktiraju magnetno ponašanje materijala u kojem žive. Ovaj mikroskopski balet je kamen temeljac magnetnih fenomena, a tim istraživača JILA-e – na čelu sa JILA Fellovs i profesorima Boulder Univerziteta Kolorado – Margaret Murnane i Henri Kaptein – je naučio da kontroliše sa izuzetnom preciznošću, potencijalno redefinišući budućnost elektronika i skladištenje podataka.
U publikaciji Science Advances, JILA tim — zajedno sa saradnicima sa univerziteta u Švedskoj, Grčkoj i Nemačkoj — ispitao je dinamiku spina unutar posebnog materijala poznatog kao Heusler jedinjenje: mešavina metala koja se ponaša kao jedan magnetni materijal.
Za ovu studiju, istraživači su koristili jedinjenje kobalta, mangana i galijuma, koje se ponašalo kao provodnik za elektrone čiji su spinovi bili poravnati nagore i kao izolator za elektrone čiji su spinovi bili poravnati nadole.
Koristeći oblik svetlosti koji se zove ekstremno ultraljubičasto visoko-harmonijsko generisanje (EUV HHG) kao sondu, istraživači su mogli da prate preorijentaciju obrtaja unutar jedinjenja nakon što su ga uzbuđivali femtosekundnim laserom, što je uzrokovalo da uzorak promeni svoj magnetni svojstva. Ključ za tačno tumačenje preorijentacije spina bila je mogućnost podešavanja boje svetlosti EUV HHG sonde.
„U prošlosti ljudi nisu radili ovo podešavanje boja HHG-a“, objasnio je prvi autor i diplomirani student JILA Sinead Rajan. „Naučnici su obično merili signal samo u nekoliko različitih boja, možda jednu ili dve po magnetnom elementu najviše.“ Prvo monumentalno, JILA tim je podesio svoju EUV HHG svetlosnu sondu preko magnetnih rezonancija svakog elementa unutar jedinjenja kako bi pratio promene spina sa preciznošću do femtosekunde (kvadrilionti deo sekunde).
„Povrh toga, promenili smo i fluence laserske ekscitacije, tako da smo menjali koliko smo snage koristili da manipulišemo okretima“, objasnio je Rajan, ističući da je taj korak takođe bio eksperimentalni prvi za ovu vrstu istraživanja.
Zajedno sa svojim novim pristupom, istraživači su sarađivali sa teoretičarom i prvim autorom Mohamedom Elhanotijem sa Univerziteta u Upsali, koji je posetio JILA, da uporede teorijske modele promena spina sa njihovim eksperimentalnim podacima. Njihovi rezultati su pokazali snažnu korespondenciju između podataka i teorije. „Osećali smo da ćemo postaviti novi standard sporazumom između teorije i eksperimenta“, dodao je Rajan.
Da bi zaronili u dinamiku okretanja svog Heuslerovog jedinjenja, istraživači su na sto doneli inovativni alat: ultraljubičaste sonde sa visokim harmonijama. Da bi proizveli sonde, istraživači su fokusirali lasersko svetlo od 800 nanometara u cev napunjenu neonskim gasom, gde je električno polje lasera povuklo elektrone od njihovih atoma, a zatim ih gurnulo nazad.
Kada su se elektroni vratili, delovali su kao gumene trake koje su se oslobodile nakon istezanja, stvarajući ljubičaste naletove svetlosti na višoj frekvenciji (i energiji) od lasera koji ih je izbacio. Rajan je podesio ove rafale da rezonuju sa energijama kobalta i mangana unutar uzorka, mereći specifičnu dinamiku spina za elemente i magnetno ponašanje unutar materijala kojim bi tim mogao dalje da manipuliše.
Iz svog eksperimenta, istraživači su otkrili da podešavanjem snage lasera ekscitacije i boje (ili energije fotona) njihove HHG sonde, mogu da odrede koji su spin efekti bili dominantni u različitim vremenima unutar njihovog jedinjenja. Oni su uporedili svoja merenja sa složenim računarskim modelom koji se zove vremenski zavisna teorija funkcionalne gustine (TD-DFT). Ovaj model predviđa kako će oblak elektrona u materijalu evoluirati iz trenutka u trenutak kada je izložen različitim ulazima.
Koristeći TD-DFT okvir, Elhanoti je pronašao saglasnost između modela i eksperimentalnih podataka zbog tri konkurentna spin efekta unutar Heuslerovog jedinjenja.
„Ono što je otkrio u teoriji je da su okretanja spina bila prilično dominantna na ranim vremenskim skalama, a zatim su transferi spinova postali dominantniji“, objasnio je Rajan. „Onda, kako je vreme napredovalo, više efekata demagnetizacije preuzimaju, a uzorak se demagnetizuje.“
Fenomeni okretanja spina dešavaju se unutar jednog elementa u uzorku kako spinovi pomeraju svoju orijentaciju od gore ka dole i obrnuto. Nasuprot tome, transferi spina se dešavaju unutar više elemenata, u ovom slučaju, kobalta i mangana, jer prenose spinove jedan između drugog, uzrokujući da svaki materijal postaje manje ili više magnetan kako vreme napreduje.
Razumevanje koji su efekti bili dominantni u kojim energetskim nivoima i vremenima omogućilo je istraživačima da bolje shvate kako se spinovima može manipulisati da bi se materijalima dala moćnija magnetna i elektronska svojstva.
„Postoji koncept spintronike, koji uzima elektroniku koju trenutno imamo, i umesto da koristimo samo naelektrisanje elektrona, mi takođe koristimo spin elektrona“, elaborirao je Rajan. „Dakle, spintronika takođe ima magnetnu komponentu. Razlog da se koristi spin umesto elektronskog punjenja je taj što bi mogao da stvori uređaje sa manjim otporom i manje toplotnog grejanja, čineći uređaje bržim i efikasnijim.“
Iz svog rada sa Elhanotijem i njihovim drugim saradnicima, JILA tim je stekao dublji uvid u dinamiku okretanja unutar Heuslerovih jedinjenja.
Rajan je rekao: „Bilo je zaista zahvalno videti tako dobro slaganje sa teorijom i eksperimentom kada je došlo i do ove zaista bliske i produktivne saradnje.
Istraživači JILA-e se nadaju da će nastaviti ovu saradnju u proučavanju drugih jedinjenja kako bi bolje razumeli kako se svetlost može koristiti za manipulisanje obrascima okretanja.
