Elektronisch mechanisme van sub-100-fs demagnetisatie geïnduceerd door een femtoseconde lichtpuls

Waarom ultrasnelle magneten ertoe doen

Moderne technologieën, van harde schijven tot toekomstige quantumsystemen, zijn afhankelijk van hoe snel en betrouwbaar we magnetisme aan en uit kunnen zetten. Deze studie onderzoekt hoe een zeer korte lichtflits, van slechts enkele biljardsten van een seconde, de magnetisatie in metalen zoals kobalt en nikkel kan verzwakken. Het doorgronden van deze extreem snelle grens voor magnetische verandering is cruciaal voor het ontwerpen van snellere, door licht aangestuurde magnetische schakelaars en volgende-generatie gegevensopslag.

Lichtpulsen die kleine magneetjes omkeren

Wanneer een krachtige lichtpuls een magnetisch metaal raakt, kan zij de kleine magnetische momentjes van de elektronen verstoren en de totale magnetisatie van het materiaal verminderen. Experimenten hebben aangetoond dat zulke demagnetisatie plaatsvindt op verbazingwekkend korte tijdschalen, onder de 100 femtoseconden, zowel voor optische als voor röntgenstraling. Toch was onduidelijk welke microscopische processen op deze snelheden de doorslag geven. De auteurs concentreren zich op een enkel magnetisch domein, een gebied waar alle kleine magneetjes aanvankelijk uitgelijnd zijn, en vragen wat er direct na een korte lichtpuls van uiteenlopende kleur en duur in zo’n domein gebeurt.

Een digitale proefopstelling voor ultrasnelle magnetveranderingen

Om dit te beantwoorden gebruikte het team een speciaal simulatie-instrument genaamd XSPIN, dat modellert hoe elektronen in een magnetisch metaal reageren op een lichtpuls onder sterk niet-evenwichtige omstandigheden. Ze bestudeerden kobalt en nikkel en zetten deze, in silico, bloot aan pulsen met duur van 2 tot 70 femtoseconden, met fotonenergieën variërend van het zichtbare spectrum tot soft x‑stralen. Belangrijk is dat ze de geabsorbeerde energiedosis per atoom constant en laag hielden om structurele schade te vermijden. Daardoor konden ze vergelijken hoe veranderingen in magnetisatie afhangen van de kleur en de timing van het licht, in plaats van van de totale geïnjecteerde energie.

Elektronen herschikken sneller dan het rooster kan reageren

De simulaties volgen gelijktijdig meerdere grootheden: het aantal gevormde energierijke elektronen, hoe ze energie verliezen en zich bij de lagere-energiebasis van elektronen voegen, de tijdelijke elektronische temperatuur en de resulterende magnetisatie. De kernbevinding is dat bij alle geteste puls-kleuren, van optisch tot röntgen, de materialen binnen minder dan 100 femtoseconden een groot deel van hun magnetisatie verliezen. Deze snelle verandering wordt vrijwel volledig aangedreven door elektronische excitatie en de daaropvolgende herverdeling van elektronen tussen spin-up en spin-down toestanden in de magnetisch gevoelige band. Langzamere processen, zoals trillingen van het atomaire rooster of interacties tussen verschillende magnetische plaatsen, zijn eenvoudigweg te traag om op deze tijdschaal een rol te spelen.

Zelfde eindtoestand, verschillende paden

Een belangrijk inzicht is dat, bij een vaste geabsorbeerde dosis, de uiteindelijke magnetische toestand van een enkel domein vrijwel onafhankelijk is van de fotonenergie. Of de puls nu optisch of röntgen is, het systeem eindigt met vergelijkbare elektronische temperaturen en vergelijkbaar gereduceerde magnetisatie. Verschillen tonen zich vooral in de timing: bij zeer korte pulsen kan de keten van elektronenbotsingen die door een hoogenergetisch röntgenfoton wordt aangeslagen enkele femtoseconden nodig hebben om zich te ontvouwen, waardoor het begin van de demagnetisatie iets vertraagd kan zijn ten opzichte van optische pulsen. In zowel kobalt als nikkel toont het model dat wanneer de puls veel langer is dan deze cascade-tijd, het temporele profiel van de puls zelf grotendeels bepaalt hoe snel de magnetisatie daalt.

Wat dit betekent voor toekomstige magnetische apparaten

Simpel gezegd concluderen de auteurs dat het vroegste, sub-100-femtoseconde verlies van magnetisatie wordt bepaald door hoe de lichtpuls elektronen herschikt, en niet door tragere roosterbewegingen of complexe spinstructuren. De hoeveelheid magnetisatieverlies hangt voornamelijk af van hoeveel energie per atoom wordt geabsorbeerd, terwijl de exacte kleur van het licht vooral de precieze timing beïnvloedt. Dit begrip biedt een routekaart voor het beheersen van ultrasnelle magnetische responsen met zorgvuldig gevormde lichtpulsen, een stap naar betrouwbare, door straling aangestuurde magnetische schakelaars die werken op de uiteindelijke snelheidslimieten die door elektronbeweging worden gesteld.

Bronvermelding: Kapcia, K.J., Tkachenko, V., Capotondi, F. et al. Electronic mechanism of sub-100-fs demagnetization induced by a femtosecond light pulse. Sci Rep 16, 14705 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51949-2

Trefwoorden: ultrasnelle demagnetisatie, femtoseconde lichtpulsen, magnetische materialen, kobalt en nikkel, elektronendynamica