Ultrasnabb avmagnetisering får atomer att rotera

För ett sekel sedan observerade Albert Einstein och Wander de Haas att avmagnetisering av en metallcylinder orsakade en rotation av cylindern. Effekten, som kallas för Einstein-de Haas-effekten, etablerade 1915 den grundläggande fysikaliska förståelsen att magnetisering som bärs av materialets elektroner är en form av vinkelmoment, som numera vanligtvis kallas för spinnvinkelmoment. Det är dock fortfarande okänt hur Einstein-de Haas-effekten fungerar på väldigt korta tidsskalor, mindre än en pikosekund (10^-12 s) eller på atomära längdskalor (10^-10 m).

Fysiker vid Uppsala universitet har nu, med hjälp av teoretiska beräkningar på det ferromagnetiska materialet järn-platina (FePt), undersökt processen, genom att bestråla järn-platina med en 20 femtosekund (20x10^-15 s) lång laserpuls och se hur ämnet reagerar.

Forskarnas beräkningar visade att laserpulsen ger upphov till en ultrasnabb förlust av elektronernas spinnvinkelmoment. Detta sätter i sin tur igång en atomrotation av de enskilda atomerna runt deras egen axel.

Denna rotationsrörelse är en ovanlig typ av gittervibration som kan beskrivas som kvanta av gittervibrationer som bär ett vinkelmoment. Dessa kallas för fononer, eller kirala fononer.

Forskarna visade också att det är elektronernas spinn-bankoppling som ger upphov till atomernas rotationsrörelse. Rotationsprocessen börjar huvudsakligen efter att laserpulsen träffat atomerna i materialet och når sin maximala rotationsamplitud cirka 80 fs (80x10^-15 s) efter att laserpulsen träffat dem.

Beräkningarna visar hur vinkelmomentet först överförs till kirala rörelser hos de enskilda atomerna. Atomrörelserna började sedan samverka och ger upphov till en makroskopisk rotation av hela materialet, som observerats i Einstein-de Haas-effekten.