一個研究小組發現，超短雷射脈衝可以磁化鐵合金，這項發現在磁性感測器技術、資料儲存和自旋電子學方面具有巨大的應用潛力。要磁化鐵釘，只需用一塊磁鐵在其表面敲擊幾次即可。然而，還有一個更不尋常的方法：由亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫中心(HZDR) 領導的團隊不久前發現，某種鐵合金可以用超短雷射脈衝磁化。

研究人員現已與Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) 合作，進一步研究此過程。他們發現這種現像也發生在不同類別的材料上，這顯著拓寬了潛在的應用前景。該工作小組在科學期刊《先進功能材料》上發表了研究結果。

這個意外的發現是在2018 年做出的。當HZDR 團隊以超短雷射脈衝照射鐵鋁合金薄層時，非磁性材料突然變得有磁性。原理是雷射脈衝重新排列晶體中的原子，使鐵原子更靠近，從而形成磁鐵。然後研究人員能夠用一系列較弱的雷射脈衝再次對該層進行消磁。這使他們能夠發現一種在表面上創建和擦除微小“磁點”的方法。

然而，試點實驗仍然留下了一些懸而未決的問題。HZDR 物理學家Rantej Bali 博士解釋說：“目前尚不清楚這種效應是否只發生在鐵鋁合金中，還是發生在其他材料中。我們還想嘗試追蹤該過程的時間進展。”

為了進一步研究，他與LHM 的Theo Pflug 博士和西班牙薩拉戈薩大學的同事合作。

專家們特別關注鐵釩合金。與晶格規則的鐵鋁合金不同，鐵釩合金中的原子排列更混亂，形成非晶態的玻璃狀結構。為了觀察雷射照射時發生的情況，物理學家使用了一種特殊的方法：泵浦探針法。

「首先，我們用強雷射脈衝照射合金，使材料磁化，」Theo Pflug 解釋道。“同時，我們使用在材料表面反射的第二個較弱的脈衝。”

對反射雷射脈衝的分析提供了材料物理特性的指示。這個過程重複幾次，從而第一個「泵浦」脈衝和隨後的「偵測」脈衝之間的時間間隔不斷延長。

結果，研究人員獲得了反射資料的時間序列，這使得能夠表徵雷射激發觸發的過程。「整個過程類似於生成一本翻頁書，」Pflug 說。“同樣，一系列單獨的圖像在快速連續觀看時會產生動畫效果。”

雖然鐵釩合金的原子結構與鐵鋁化合物不同，但鐵釩合金也可以透過雷射磁化。「在這兩種情況下，材料都會在照射點短暫熔化，」Rantej Bali 解釋道。“這會導致雷射擦除之前的結構，從而在兩種合金中產生一個小的磁性區域。”

令人鼓舞的結果是，這種現象並不限於特定的材料結構，而是可以在不同的原子排列中觀察到。

團隊還在追蹤該過程的時間動態：「至少我們現在知道在哪個時間尺度上發生了某些事情，在飛秒內，雷射脈衝激發材料中的電子。幾皮秒後，激發的電子將能量轉移到原子核。”

因此，這種能量轉移導致重新排列成磁性結構，該結構透過隨後的快速冷卻而穩定下來。在後續實驗中，研究人員旨在透過使用強X 射線檢查磁化過程來準確觀察原子如何重新排列。

儘管仍處於早期階段，這項工作已經為可能的應用提供了初步的想法：例如，透過雷射將微小的磁鐵放置在晶片表面上是可以想像的。Rantej Bali 推測：“這對於生產敏感磁傳感器（例如車輛中使用的傳感器）可能很有用。它還可以在磁性數據存儲中找到可能的應用。”

此外，這種現像似乎與一種新型電子學有關，即自旋電子學。在這裡，磁性訊號應該用於數位計算過程，而不是像往常一樣通過電晶體的電子——為未來的電腦技術提供了一種可能的方法。

編譯來源：ScitechDaily