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科学家使用极短脉冲激光成功观测到1皮秒的磁性变化

2016-05-20 10:25
苏子言岁月
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  由日本理化学研究所(理研)、美国布鲁克黑文国家实验室、斯坦福直线加速器中心等组成的国际共同研究小组于2016年5月10日宣布,使用极短脉冲激光成功观察到了磁体激发的1皮秒(一万亿分之一秒)左右的磁性(自旋排列)变化。

  数十年前就有人提出利用发光时间极短的极短脉冲激光,使物质的电子状态及磁性状态等性质发生变化,这一想法近年来逐步得到验证。但是,以前并没有手段能够观察1皮秒左右的极短时间里发生的物质变化,难以分析光作用下物质变化的机理。

  研究人员此次开发了名为“时间分辨共振X线非弹性散射”的方法,通过使极短脉冲的X射线激光和红外线激光同步来实施计测。该方法实现了达到全球最高水平的0.3皮秒的时间分辨率,从而成功详细观察到了磁性的时间变化。

  具体方法是,首先向量子磁体“Sr2IrO4”照射红外线激光,这时该物质本身的磁性状态被破坏,自旋排列发生混乱。之后,构成物质的电子引起“自旋波”,随着自旋波向物质整体扩散,Sr2IrO4的磁性会在极短时间内发生巨大变化。接着,向Sr2IrO4照射照射红外线激光数皮秒,再照射X射线激光,测定在自旋波作用下散射的X线的角度及能量损失,由此便可研究自旋波的情况。

  实验时,在照射红外线激光2皮秒后三维自旋排列发生混乱的状态下观测了二维自旋波。这时“尽管三维自旋间的连接呈断开状态,但二维自旋间呈连接状态”,显示出了特殊的磁序状态,意味着红外线激光使Sr2IrO4的性质发生了变化。

  在利用光来控制物质的电子状态及磁性状态等特性方面,此次的测定方法迈出了第一步,有助于将来开发利用光的高温超导体-绝缘体开关等新器件。另外,通过使用波长比红外线长的中红外线激光,还可不激发电子及自旋,只引发物质内的某原子位置的振动,这有助于更详细地了解物质具有的磁性耦合性质。

  相关研究成果已刊登在国际科学期刊《Nature Materials》的在线版上。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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