Избыток углового момента при сверхбыстром размагничивании ушел к фононам

Немецкие физики разобрались с тем, куда девается угловой момент атомов никеля при сверхбыстром размагничивании тонких пленок. Для этого они следили за тем, как меняется со временем дифракционная картина электронов, рассеивающихся на образце. Оказалось, что вращение передается фононам с круговой поляризацией. Исследование опубликовано в Nature.

Одним из достижений физики начала XX века стало понимание того, какую роль играет угловой момент в микромире. Оказалось, что в полный угловой момент дает вклад не только орбитальное движение, но и спин, и все вместе это определяет магнитные свойства веществ. Одной из иллюстраций этого принципа стал эффект Эйнштейна — де Хааза, который заключается в том, что изменение намагниченности тела приводит к его вращению.

Вопрос о намагничивании и размагничивании стал очень актуальным в связи с развитием технологии хранения данных на магнитных накопителях. Одним из ее ограничивающих факторов стала небольшая скорость перезаписи магнитных доменов. Но в 1996 году физики обнаружили, что если на тонкую никелевую пленку воздействовать очень короткими лазерными импульсами, ее удается размагнитить за десятки фемтосекунд.

С этого момента сверхбыстрое размагничивание стало объектом пристального интереса со стороны материаловедов, однако физики задались вопросом, куда за столь короткое время девается высвобождающийся угловой момент? За это время было предложено несколько механизмов его рассеяния, включающие спиновые токи и фононы, однако исчерпывающего понимания этого процесса до сих пор нет.

Группа немецких физиков под руководством Питера Баума (Peter Baum) и Ульриха Новака (Ulrich Nowak) из Констанцского университета сообщила о результатах эксперимента, который позволил им разобраться, что же именно происходит с угловым моментом на таких коротких временах. Для этого они использовали сверхбыструю электронную дифрактометрию размагничиваемой никелевой пленки, которая показала, что угловой момент передается в анизотропные колебания атомов кристаллической решетки, которые можно представить с помощью фононов с круговой (циркулярной) поляризацией.

Авторы выращивали монокристаллический слой никеля толщиной 22 нанометра на кремниевой подложке. При облучении такого образца фемтосекундными лазерными импульсами, его наведенная намагниченность падала на 40-50 процентов. Чтобы проследить за динамикой этого процесса, физики повторяли эксперимент в режиме накачки-зондирования, где вслед за лазерным импульсом они направляли на кристалл сжатый электронный импульс с энергией 70 килоэлектронвольт. Авторы следили за тем, как меняется дифракционная картина в зависимости от задержки между импульсами.

Оказалось, что воздействие лазерного импульса не влияет существенным образом на положение и ширину брэгговских пятен, но модифицирует их интенсивности, что свидетельствует о структурных изменениях внутри элементарных ячеек. Физики увидели ощутимую анизотропию между кристаллографически эквивалентными брэгговскими пятнами разной ориентации по отношению к направлению начальной намагниченности, нарастающую в течение 150-750 фемтосекунд.

Обнаруженное анизотропное движение атомов в решетке авторы интерпретировали в терминах фононов с круговой поляризацией. Учитывая магнитный момент отдельных атомов никеля, а также степень размагничивания, физики с помощью закона сохранения момента импульса смогли оценить амплитуду колебаний атомов, которая составила примерно два пикометра. Оценка анизотропии в дифракционных пятнах, вызванная такими колебаниями, дала значения близкие к экспериментальным. Более подробные симуляции с помощью метода молекулярной динамики лишь подтвердили эти выводы.

Авторы отмечают, что анизотропия, а, следовательно, и фононные возбуждения, сохранялись в течение всего времени наблюдения, равного нескольким пикосекундам (в симуляциях это время увеличилось до нескольких десятков пикосекунд). Такая устойчивость обусловлена все тем же законом сохранения, который препятствует термализации циркулярных фононов. Тем не менее последовательное фонон-фононное взаимодействие с низкочастотными звуковыми и деформационными модами должно со временем передавать угловой момент кристаллу как единому целому. Таким образом, традиционное объяснение эффекта Эйнштейна — де Хааза должно быть дополнено промежуточным фононным этапом.

Ранее физики уже находили фононы с круговой поляризацией в диселениде вольфрама. Предполагается, что с их помощью можно будет управлять транспортом электронов.

Марат Хамадеев