强激光在阿秒内磁化固体

强激光可以在阿秒级的固体中感应出磁性——迄今为止最快的磁响应。这是德国汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的理论家们得出的发现，他们使用高级模拟研究了几种2D和3D材料的磁化过程。

他们的计算表明，在具有重原子的结构中，由激光脉冲引发的快速电子动力学可以转换为阿秒磁性。该工作已发表在npjComputationalMaterials上。

该团队专注于几个基准2D和3D材料系统，但结果适用于包含重原子成分的所有材料。“重原子特别重要，因为它们会引起强烈的自旋轨道相互作用，”主要作者OferNeufeld解释说。“这种相互作用是将光诱导的电子运动转化为自旋极化——换句话说，转化为磁性的关键。否则，光根本不会与电子的自旋相互作用。”

就像微小的罗盘针一样，电子也可以被想象成有一根指向空间中某个方向的内部针，例如“向上”或“向下”——即所谓的“自旋”。每个电子的自旋方向取决于它周围的化学环境，例如它可以看到哪些原子以及其他电子的位置。在非磁性材料中，电子在所有方向上均等地自旋。相反，当单个电子的自旋相互对齐并指向同一方向时，材料就会具有磁性。

理论家着手研究当固体与强烈的线性偏振激光脉冲相互作用时会发生什么磁现象，这通常会在物质内部以非常快的时间尺度加速电子。“探索这些条件非常有趣，因为当激光脉冲具有线性偏振时，通常认为它们不会引起任何磁性，”Neufeld说。

出乎意料的是，他们的模拟显示这些特别强大的激光确实会磁化材料，即使磁性是瞬态的——它只会持续到激光脉冲关闭。然而，最引人注目的发现与这一过程的速度有关：磁化强度在极短的时间尺度内演变，不到500阿秒——这是有史以来最快的磁响应预测。对于规模，单个阿秒等于一秒，一秒等于约320亿年。

使用先进的模拟工具来解释潜在的机制，该团队表明强光来回翻转电子的自旋。激光在几百阿秒的空间内有效地加速了圆形轨道上的电子。这些强大的自旋轨道相互作用然后对齐自旋方向。

这个过程可以想象成一个保龄球在一个表面上滑动然后开始滚动：在这个类比中，光推动球旋转，自旋轨道相互作用(当电子围绕它运行时，附近的重核产生的力)使它来回滚动，将其磁化。两种力量共同作用使球滚动。

Neufeld说，这些结果为磁化的基本原理提供了引人入胜的新见解：“我们发现它是一种高度非线性效应，可以通过激光的特性进行调整。结果暗示，虽然没有明确证明，最终速度磁性的极限是几十阿秒，因为那是电子运动的自然速度极限。”

在一系列材料的基本水平上理解这些光感应磁化过程是朝着超快存储设备发展迈出的关键一步，并改变了目前对磁性的理解。

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