电磁子的秘密生活：研究向用光超快控制磁性迈进了一步

该论文的第一作者Hiroki Ueda在瑞士自由电子实验室的新Furka实验中工作，使用软x射线，Ueda和他的同事可以揭示Furka电磁子中自旋的运动，补充了Bernina实验站对晶格振动的硬x射线测量。图片来源:Paul Scherrer研究所/ Markus Fischer

科学家们已经揭示了晶格振动和自旋是如何在一种被称为电磁子的混合激发中相互交流的。为了实现这一目标，他们在瑞士的x射线自由电子激光器上使用了一种独特的实验组合。在原子水平上理解这一基本过程，为光对磁的超快控制打开了大门。

在固体的原子晶格中，粒子和它们的各种性质以称为集体激发的波状运动相互配合。当晶格中的原子一起振动时，这种集体激发被称为声子。同样地，当原子自旋——原子的磁化——一起运动时，它被称为磁振子。情况变得更加复杂。这些集体激励中的一些在所谓的混合激励中相互交流。其中一种混合激发是电磁子。与传统的磁振子相比，电子磁振子之所以得名，是因为它能够利用光的电场激发原子自旋:这是一个令人兴奋的技术应用前景。然而，它们在原子水平上的秘密生活还没有得到很好的理解。人们怀疑在电子磁振子的过程中，晶格中的原子会摆动，自旋会在一种激发下摆动，这种激发本质上是声子和磁振子的结合。然而，自从它们在2006年首次被提出以来，只有自旋运动被测量过。晶格中的原子是如何运动的——如果它们会运动的话——仍然是个谜。所以，我们也理解这两个组件是如何相互交流的。现在，在瑞士x射线自由电子激光器(SwissFEL)进行的一系列复杂实验中，PSI的研究人员将这些缺失的部分添加到拼图中。领导这项研究的PSI显微镜和磁性小组负责人Urs Staub解释说: 随着对这些混合激励如何工作的更好理解，我们现在可以开始寻找在超快时间尺度上操纵磁性的机会。

首先是原子，然后是自旋

在瑞士自由电子实验室的实验中，研究人员使用太赫兹激光脉冲在多铁性六铁体晶体中诱导出一个电子磁子。利用时间分辨x射线衍射实验，他们拍下了原子和自旋如何响应激发而运动的超快快照。由此，他们证明了晶格内的原子确实以电子磁子的形式运动，并揭示了能量是如何在晶格和自旋之间传递的。他们研究的一个惊人结果是，原子首先运动，而自旋运动稍晚。当太赫兹脉冲撞击晶体时，电场推动原子运动，引发电磁子的声子部分。这种运动产生了有效磁场，随后带动自旋运动。SwissFEL 的光束线科学家、这篇论文的第一作者 Hiroki Ueda 解释说：我们的实验发现，激发并不会直接移动自旋。以前还不清楚是否会出现这种情况。更进一步，研究小组还可以量化声子分量从太赫兹脉冲中获得了多少能量，以及磁子分量通过晶格获得了多少能量。Ueda 补充说：这对未来寻求驱动磁性系统的应用来说是一个重要信息。

一个自由电子激光，两条光束线，两种晶体模式

他们发现的关键是能够在瑞士自由电子激光器的硬x射线和软x射线光束线上测量互补时间分辨x射线衍射实验中的原子运动和自旋。研究小组在伯尼纳实验站使用硬x射线研究了晶格内原子的运动。最近开发的实验站设置，包括专门设计的样品室，可以在非常低的温度下使用固体中的太赫兹场进行独特的超快测量。为了研究自旋的运动，研究小组使用了软x射线，它对磁系统的变化更敏感。这些实验是在最近进入用户操作的富尔卡实验站进行的。通过将x射线能量调谐到材料中的共振，他们可以特别关注自旋产生的信号——通常被掩盖的信息。Staub评论道：在贝尔尼纳对声部部分的测量是向前迈出的重要一步。通过Furka也能够获得磁运动是一种实验可能性，这在世界上几乎没有其他地方存在。

基本原理对我们理解其他物理过程很重要

Ueda、Staub和他的同事们已经提供了对电子磁子微观起源的理解。这种理解不仅对这个物理过程很重要，而且在更广泛的意义上也很重要。晶格和自旋之间的基本相互作用支撑着许多物理效应，这些效应产生了不寻常的——潜在的非常有用的——材料特性:例如，高温超导性。只有更好地理解这些影响，才能控制。

这项研究发表在《 Nature Communications》杂志上。