一项新研究揭示，激光脉冲能够通过影响稀土材料的4f电子来改变其磁性。这一发现通过主要x射线设施的实验得到了验证，可能为更快速、更高效的数据存储方案提供新思路。来源:SciTechDaily.com
激光脉冲的研究表明，它们可以调节稀土的4f电子，从而为更快速、更节能的数据存储设备开辟了新路径。
稀土磁性材料的独特性质源于其4f层中的电子。此前，4f电子的磁性被认为几乎无法控制。现在，科学家们首次证明激光脉冲能够影响4f电子，进而改变它们的磁性。这一发现是通过EuXFEL和FLASH的实验得出的，为稀土元素在数据存储中的应用开辟了新方向。
磁性能控制的突破
已知最强的磁铁是稀土材料。它们的4f电子负责其磁性，能够在化学环境变化时保持较大的磁矩。这意味着稀土可以在不改变其独特磁性的情况下，应用于多种不同的化合物和合金。
过去，人们认为即使激光脉冲激发材料，4f电子的磁性也不会改变。然而，来自亥姆霍兹材料和能源中心(HZB)、柏林自由大学、DESY、欧洲x射线激光器XFEL等机构的研究团队现已证明，激光激发可以短暂改变4f电子的空间排列，从而影响其磁性。
这一效应为磁性稀土材料的快速、节能控制提供了新的可能性。这项研究将在今天(8月5日)的《科学进展》杂志上发表。
图像展示了激发过程中铽轨道的示意图。信贷:HZB
来自x射线激光器的实验见解
研究团队利用x射线激光器EuXFEL和FLASH对铽样品进行了实验。铽是一种原子序数为65的稀土元素，4f轨道上有8个电子。通过超短激光脉冲激发样品，并使用x射线光谱学进行分析。研究中使用的软x射线辐射能够非常灵敏地确定材料的电子结构。
实验结果表明，激光激发后，4f电子会短暂切换到不同空间分布的轨道上。这是由于5d电子的散射过程，这是之前未曾考虑的。激光激发使4f电子重新分布，导致其磁性发生短暂变化。
数据存储技术的潜力
这种控制开关为稀土材料的应用开辟了新领域，如节能和快速的信息存储设备。目前，稀土尚未被广泛应用于磁性存储介质。
最新的存储介质是所谓的HAMR(热辅助磁记录)数据存储设备，其中磁性结构通过激光脉冲加热以实现切换。借助更强的稀土磁体，超短激光脉冲可以激发4f电子并实现开关——这是一种比HAMR存储器中的加热机制更快、更有效的电子效应。
x射线光谱学进展
近几十年来，利用加速器产生超短x射线脉冲的x射线源的发展使这项研究成为可能。这些x射线源能够在几飞秒的时间尺度上观察磁性材料中的基本过程。飞秒(10-15秒)是十亿分之一秒的百万分之一。光在300飞秒内传播的距离大约是头发的宽度。
这项工作是在欧洲x射线激光器EuXFEL和汉堡的FLASH上进行的。HZB还运行着一个短脉冲x射线源，计划在今年年底扩展，专门用于高光谱分辨率的实验。随后，BESSY II也将为这类实验提供最佳条件。柏林是全球领先的超快磁效应研究中心之一。
参考文献：“稀土金属中4f轨道态的光学控制”作者:Nele Thielemann, Tim Amrhein, Wibke Bronsch, Somnath Jana, Niko Pontius, Robin Y. Engel, Peter S. Miedema, Dominik Leichmann, Karel Carva, Unai Atxitia, Benjamin E. van Kuiken, Martin Teichmann, Robert E. Carley, Laurent Mercadier, Alexander Yaroslavtsev, Giuseppe Mercurio, Loïc Le Guyader, Naman Agarwal, Rafael Gort, Andres Scherz, Siarhei Dziarzhytski, Günter Brenner, Federico Pressacco, Ru-Pan Wang, Jan O. Schunck, Mangalika Sinha, Martin Beye, Gheorghe S. Chiuzb, Peter M. Oppeneer, Martin Weinelt和Christian Schßler-Langeheine, 2024年4月17日，《科学进展》。DOI: 10.1126/sciadv.adk9522
Freie Universität, Technische Universität, HZB, Fritz-Haber-Institut和Max-Born-Institut以及Halle的合作伙伴的工作由德国研究基金会资助，作为跨区域合作研究中心(transregion-sfb 227“超快自旋动力学”)的一部分。
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