Logotipo de Zephyrnet

Inteligencia de datos generativa

Nano Technology

Descubriendo los secretos del espín con sondas de altos armónicos

Reeditado por Platón
Reeditado por Platón

Fecha:

Vistas: 98
10 de noviembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) En lo profundo de cada pieza de material magnético, los electrones bailan al ritmo invisible de la mecánica cuántica. Sus espines, similares a diminutas cimas atómicas, dictan el comportamiento magnético del material que habitan. Este ballet microscópico es la piedra angular de los fenómenos magnéticos, y son estos giros los que un equipo de investigadores de JILA, encabezados por los miembros de JILA y los profesores Margaret Murnane y Henry Kapteyn de la Universidad de Colorado en Boulder, ha aprendido a controlar con notable precisión, redefiniendo potencialmente el futuro de Electrónica y almacenamiento de datos.

Puntos clave

  • Los investigadores de JILA, dirigidos por los profesores Margaret Murnane y Henry Kapteyn, han logrado un control preciso sobre los espines de los electrones en materiales magnéticos, revolucionando potencialmente la electrónica y el almacenamiento de datos.
  • El estudio utilizó un compuesto de Heusler de cobalto, manganeso y galio, demostrando propiedades conductoras únicas basadas en la alineación de los espines de los electrones.
  • Técnicas avanzadas, incluida la generación de altos armónicos ultravioleta extremo (EUV HHG) y láseres de femtosegundos, permitieron la observación y manipulación precisas de la dinámica del espín.
  • Los investigadores correlacionaron con éxito sus resultados experimentales con modelos teóricos, lo que supuso un logro significativo en la comprensión de los fenómenos magnéticos basados ​​en el espín.
  • Esta investigación sienta las bases para avances en espintrónica, ofreciendo un camino hacia dispositivos electrónicos más eficientes y rápidos.

    • La investigación

    En un nuevo Science Advances publicación ("Controlar ópticamente la competencia entre los giros y la transferencia de giro entre sitios en un medio metal Heusler en escalas de tiempo inferiores a 100 fs"), el equipo de JILA, junto con colaboradores de universidades de Suecia, Grecia y Alemania, investigó la dinámica del espín dentro de un material especial conocido como compuesto de Heusler: una mezcla de metales que se comporta como un solo material magnético. Para este estudio, los investigadores utilizaron un compuesto de cobalto, manganeso y galio, que se comportaba como conductor de electrones cuyos espines estaban alineados hacia arriba y como aislante para electrones cuyos espines estaban alineados hacia abajo. Utilizando una forma de luz llamada generación ultravioleta extrema de altos armónicos (EUV HHG) como sonda, los investigadores pudieron rastrear las reorientaciones de los espines dentro del compuesto después de excitarlo con un láser de femtosegundo, lo que provocó que la muestra cambiara su dirección magnética. propiedades. La clave para interpretar con precisión las reorientaciones de los espines fue la capacidad de ajustar el color de la luz de la sonda EUV HHG. "En el pasado, la gente no había hecho este ajuste de color de HHG", explicó la coprimera autora y estudiante graduada de JILA, Sinéad Ryan. "Por lo general, los científicos sólo midieron la señal en unos pocos colores diferentes, tal vez uno o dos por elemento magnético como máximo". Por primera vez, el equipo de JILA sintonizó su sonda de luz EUV HHG a través de las resonancias magnéticas de cada elemento dentro del compuesto para rastrear los cambios de giro con una precisión de hasta femtosegundos (una billonésima de segundo). "Además de eso, también cambiamos la fluencia de excitación del láser, por lo que cambiamos la cantidad de potencia que usábamos para manipular los espines", explicó Ryan, destacando que ese paso también fue una primicia experimental en este tipo de investigación. Además de su novedoso enfoque, los investigadores colaboraron con el teórico y coautor Mohamed Elhanoty de la Universidad de Uppsala, quien visitó JILA, para comparar modelos teóricos de cambios de espín con sus datos experimentales. Sus resultados mostraron una fuerte correspondencia entre los datos y la teoría. "Sentimos que habíamos establecido un nuevo estándar con la concordancia entre la teoría y el experimento", añadió Ryan.

    Ajuste fino de la energía luminosa

    Para sumergirse en la dinámica de espín de su compuesto Heusler, los investigadores aportaron una herramienta innovadora: sondas ultravioleta extremas de altos armónicos. 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 los electrones de sus átomos y luego los empujó hacia atrás. Cuando los electrones regresaron, actuaron como bandas elásticas liberadas después de ser estiradas, creando ráfagas de luz púrpura con una frecuencia (y energía) más alta que el láser que los expulsó. Ryan sintonizó estas ráfagas para que resonaran con las energías del cobalto y el manganeso dentro de la muestra, midiendo la dinámica de espín de elementos específicos y los comportamientos magnéticos dentro del material que el equipo podría manipular aún más.

    Una competencia de efectos de giro

    A partir de su experimento, los investigadores descubrieron que al ajustar la potencia del láser de excitación y el color (o la energía del fotón) de su sonda HHG, podían determinar qué efectos de espín eran dominantes en diferentes momentos dentro de su compuesto. Compararon sus mediciones con un modelo computacional complejo llamado teoría funcional de densidad dependiente del tiempo (TD-DFT). Este modelo predice cómo evolucionará una nube de electrones en un material de un momento a otro cuando se exponga a diversas entradas. Utilizando el marco TD-DFT, Elhanoty encontró una concordancia entre el modelo y los datos experimentales debido a tres efectos de espín que compiten dentro del compuesto de Heusler. "Lo que encontró en la teoría fue que los giros eran bastante dominantes en las primeras escalas de tiempo, y luego las transferencias de giros se volvieron más dominantes", explicó Ryan. "Luego, a medida que pasa el tiempo, aparecen más efectos de desmagnetización y la muestra se desmagnetiza". El fenómeno de los cambios de espín ocurre dentro de un elemento de la muestra a medida que los espines cambian su orientación de arriba a abajo y viceversa. Por el contrario, las transferencias de espín ocurren dentro de múltiples elementos, en este caso, el cobalto y el manganeso, a medida que se transfieren espines entre sí, lo que hace que cada material se vuelva más o menos magnético a medida que pasa el tiempo. Comprender qué efectos eran dominantes, en qué niveles de energía y tiempos permitió a los investigadores comprender mejor cómo se podrían manipular los espines para otorgar a los materiales propiedades magnéticas y electrónicas más poderosas. “Existe este concepto de espintrónica, que toma la electrónica que tenemos actualmente y, en lugar de usar solo la carga del electrón, también usamos el espín del electrón”, explicó Ryan. “Entonces, la espintrónica también tiene un componente magnético. La razón para utilizar espín en lugar de carga electrónica es que podría crear dispositivos con menos resistencia y menos calentamiento térmico, haciendo que los dispositivos sean más rápidos y eficientes”. A partir de su trabajo con Elhanoty y sus otros colaboradores, el equipo de JILA obtuvo una visión más profunda de la dinámica de giro dentro de los compuestos de Heusler. Ryan dijo: "Fue realmente gratificante ver un acuerdo tan bueno con la teoría y el experimento cuando surgió también de esta colaboración tan estrecha y productiva". Los investigadores de JILA tienen la esperanza de continuar esta colaboración en el estudio de otros compuestos para comprender mejor cómo se puede utilizar la luz para manipular los patrones de espín.
    punto_img

    Información más reciente

    punto_img

    Derechos de autor @ 2024 Plato Technologies Inc.