研究人員透過SwissFEL X 射線自由電子雷射進行的實驗，在了解電磁子–固體中的混合激元方面取得了重大進展。他們揭示了晶格振動和自旋如何相互作用，原子運動先於自旋運動。這項發現對於用光超快控制磁性至關重要，對於理解高溫超導等複雜物理過程也具有更廣泛的意義。

科學家利用SwissFEL X 射線自由電子雷射的獨特實驗組合，揭示了晶格振動和自旋在一種稱為電磁子的混合激發中的相互作用。這一原子層面的發現為利用光超快操縱磁性鋪平了道路。

在固體的原子晶格內，粒子及其各種特性在稱為集體激發的波狀運動中相互配合。當晶格中的原子一起抖動時，這種集體激發稱為聲子。同樣，當原子自旋–原子的磁化–一起運動時，稱為磁子。

情況變得更加複雜。其中一些集體激發以所謂的混合激發形式相互對話。電磁子就是這樣一種混合激發。電磁子之所以得名，是因為它能夠利用光的電場激發原子自旋，這與傳統的磁子截然不同：這為許多技術應用帶來了令人興奮的前景。然而，人們對它們在原子層面上的秘密生活還不甚了解。

論文第一作者Hiroki Ueda 在SwissFEL 的新Furka 實驗站工作在Furka 實驗站，Ueda 及其同事利用軟X 射線揭示了電磁子產生過程中的自旋運動，補充了Bernina 實驗站對晶格振動進行的硬X 射線測量。資料來源：保羅-舍勒研究所/馬庫斯-菲舍爾

物理學家一直懷疑，在發生電磁子時，晶格中的原子會擺動，自旋也會擺動，這種激發本質上是聲子和磁子的結合。然而，自2006 年首次提出以來，只有自旋運動得到了測量。晶格中的原子是如何運動的–如果它們真的運動的話–一直是個謎。人們對這兩種成分如何相互溝通的理解也是如此。

現在，在瑞士X 射線自由電子雷射SwissFEL 上進行的一系列複雜實驗中，PSI 的研究人員為拼圖增添了這些缺失的部分。PSI顯微鏡和磁學小組負責人烏爾斯-斯陶布（Urs Staub）解釋說：”隨著對這些混合激發如何運作有了更好的了解，我們現在可以開始研究在超快時間尺度上操縱磁性的機會。”

先是原子，然後是自旋

在SwissFEL 的實驗中，研究人員使用太赫茲雷射脈衝在多鐵六價鐵晶體中誘發磁鐵。然後，他們利用時間分辨X 射線衍射實驗拍攝了原子和自旋如何響應激發而移動的超快快照。這樣，他們既證明了晶格內的原子確實在電磁子中移動，也揭示了能量是如何在晶格和自旋之間傳遞的。

他們研究的一個驚人結果是，原子首先移動，而自旋移動的時間稍晚。當太赫茲脈衝撞擊晶體時，電場推動原子運動，引發電磁子的聲子部分。這種運動會產生有效磁場，進而移動自旋。

“我們的實驗發現，激發並不會直接移動自旋。以前還不清楚是否會出現這種情況，”SwissFEL 光束線科學家、論文第一作者Hiroki Ueda 解釋。

更進一步，研究團隊還可以量化聲子分量從太赫茲脈衝中獲得了多少能量，以及磁子分量透過晶格獲得了多少能量。Ueda 補充說：”這對未來尋求驅動磁性系統的應用來說是一個重要訊息。”

一個自由電子雷射、兩條光束線、兩種晶體模式

他們發現的關鍵是，能夠在瑞士自由電子雷射的硬X射線光束線和軟X射線光束線的互補時間分辨X射線繞射實驗中同時測量原子運動和自旋。

研究團隊在伯恩納實驗站利用硬X 射線研究了原子在晶格內的運動。最近開發的實驗站裝置包括專門設計的樣品室，可以在極低溫度下利用太赫茲場在固體中進行獨特的超快測量。

為了研究自旋運動，研究團隊使用了對磁性系統變化更敏感的軟X 射線。這些實驗是在Furka 實驗站進行的，該實驗站最近剛投入使用。透過將X 射線能量調整到材料中的共振，他們可以特別關注來自自旋的信號——這些資訊通常會被掩蓋。

“僅在伯爾尼納測量聲波部分就是向前邁出的一大步。同時還能利用富爾卡獲取磁運動，這種實驗可能性在世界上幾乎絕無僅有，”斯陶布評論道。

Ueda、斯陶布及其同事提供了對電磁子微觀起源的理解。這種理解不僅對這個物理過程很重要，而且在更廣泛的意義上也很重要。

晶格和自旋之間的基本相互作用是許多物理效應的基礎，這些效應產生了不尋常的、可能非常有用的材料特性：例如高溫超導性。只有更了解這些效應，才能更好地進行控制。

編譯來源：ScitechDaily