科学家揭开电磁子的秘密：晶格振动和自旋如何相互作用

研究人员通过SwissFEL X 射线自由电子激光器进行的实验，在了解电磁子--固体中的混合激元方面取得了重大进展。他们揭示了晶格振动和自旋如何相互作用，原子运动先于自旋运动。这一发现对于用光超快控制磁性至关重要，对于理解高温超导等复杂物理过程也具有更广泛的意义。

科学家们利用 SwissFEL X 射线自由电子激光器的独特实验组合，揭示了晶格振动和自旋在一种称为电磁子的混合激发中的相互作用。这一原子层面的发现为利用光超快操纵磁性铺平了道路。

在固体的原子晶格内，粒子及其各种特性在被称为集体激发的波状运动中相互配合。当晶格中的原子一起抖动时，这种集体激发被称为声子。同样，当原子自旋--原子的磁化--一起运动时，称为磁子。

情况变得更加复杂。其中一些集体激发以所谓的混合激发形式相互对话。电磁子就是这样一种混合激发。电磁子之所以得名，是因为它能够利用光的电场激发原子自旋，这与传统的磁子截然不同：这为众多技术应用带来了令人兴奋的前景。然而，人们对它们在原子层面上的秘密生活还不甚了解。

论文第一作者 Hiroki Ueda 在 SwissFEL 的新 Furka 实验站工作 在 Furka 实验站，Ueda 及其同事利用软 X 射线揭示了电磁子产生过程中的自旋运动，补充了 Bernina 实验站对晶格振动进行的硬 X 射线测量。资料来源：保罗-舍勒研究所/马库斯-菲舍尔

物理学家们一直怀疑，在发生电磁子时，晶格中的原子会摆动，自旋也会摆动，这种激发本质上是声子和磁子的结合。然而，自 2006 年首次提出以来，只有自旋运动得到了测量。晶格中的原子是如何运动的--如果它们真的运动的话--一直是个谜。人们对这两种成分如何相互交流的理解也是如此。

现在，在瑞士 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 上进行的一系列复杂实验中，PSI 的研究人员为拼图增添了这些缺失的部分。PSI显微镜和磁学小组负责人乌尔斯-斯陶布（Urs Staub）解释说："随着对这些混合激发如何工作有了更好的了解，我们现在可以开始研究在超快时间尺度上操纵磁性的机会。"

先是原子，然后是自旋

在 SwissFEL 的实验中，研究人员使用太赫兹激光脉冲在多铁六价铁晶体中诱发电磁子。然后，他们利用时间分辨 X 射线衍射实验拍摄了原子和自旋如何响应激发而移动的超快快照。这样，他们既证明了晶格内的原子确实在电磁子中移动，又揭示了能量是如何在晶格和自旋之间传递的。

他们研究的一个惊人结果是，原子首先移动，而自旋移动的时间稍晚。当太赫兹脉冲撞击晶体时，电场推动原子运动，引发电磁子的声子部分。这种运动会产生有效磁场，进而移动自旋。

"我们的实验发现，激发并不会直接移动自旋。以前还不清楚是否会出现这种情况，"SwissFEL 光束线科学家、论文第一作者 Hiroki Ueda 解释说。

更进一步，研究小组还可以量化声子分量从太赫兹脉冲中获得了多少能量，以及磁子分量通过晶格获得了多少能量。Ueda 补充说："这对未来寻求驱动磁性系统的应用来说是一个重要信息。"

一个自由电子激光器、两条光束线、两种晶体模式

他们发现的关键是，能够在瑞士自由电子激光器的硬X射线光束线和软X射线光束线的互补时间分辨X射线衍射实验中同时测量原子运动和自旋。

研究小组在伯尔尼纳实验站利用硬 X 射线研究了原子在晶格内的运动。最近开发的实验站装置包括专门设计的样品室，可以在极低温度下利用太赫兹场在固体中进行独特的超快测量。

为了研究自旋运动，研究小组使用了对磁性系统变化更为敏感的软 X 射线。这些实验是在 Furka 实验站进行的，该实验站最近刚刚投入使用。通过将 X 射线能量调整到材料中的共振，他们可以特别关注来自自旋的信号--这些信息通常会被掩盖。

"仅在伯尔尼纳测量声波部分就是向前迈出的一大步。同时还能利用富尔卡获取磁运动，这种实验可能性在世界上几乎绝无仅有，"斯陶布评论道。

Ueda、斯陶布及其同事提供了对电磁子微观起源的理解。这种理解不仅对这一物理过程很重要，而且在更广泛的意义上也很重要。

晶格和自旋之间的基本相互作用是许多物理效应的基础，这些物理效应产生了不寻常的、可能非常有用的材料特性：例如高温超导性。只有更好地了解这些效应，才能更好地进行控制。

编译来源：ScitechDaily