Электронный механизм демагнетизации за время менее 100 фс, вызванной фемтосекундным световым импульсом

Почему важны ультрабыстрые магниты

Современные технологии — от жестких дисков до будущих квантовых устройств — зависят от того, как быстро и надежно мы можем включать и отключать магнетизм. В этом исследовании изучается, как очень короткая вспышка света, длящаяся всего несколько квадриллионных долей секунды, может ослабить магнетизм в металлах, таких как кобальт и никель. Понимание этого предельного по скорости изменения магнетизма важно для разработки более быстрых оптически управляемых магнитных переключателей и устройств хранения данных следующего поколения.

Импульсы света, переворачивающие крошечные магниты

Когда мощный световой импульс попадает в магнитный металл, он может возмущать крошечные магнитные моменты электронов и снижать общую намагниченность материала. Эксперименты показали, что такая демагнетизация происходит на поразительно коротких временах — менее 100 фемтосекунд — как при оптическом, так и при рентгеновском облучении. Тем не менее оставалось неясным, какие микроскопические процессы ответственны за эти скорости. Авторы сосредоточились на одном магнитном домене — области, где все маленькие магниты изначально выровнены — и изучили, что происходит в нем сразу после краткого светового импульса с разной цветностью и длительностью.

Цифровая лаборатория для изучения ультрабыстрых магнитных изменений

Для ответа на этот вопрос команда использовала специализированный инструмент моделирования XSPIN, который моделирует поведение электронов в магнитном металле под действием светового импульса в сильно неравновесных условиях. Они рассматривали кобальт и никель и подвергали их, в виртуальной среде, импульсам длительностью от 2 до 70 фемтосекунд с энергиями фотонов от видимого диапазона до мягкого рентгена. Критически важно, что поглощенная доза энергии на атом поддерживалась фиксированной и достаточно низкой, чтобы избежать структурных повреждений. Это позволило сравнивать, как изменение намагниченности зависит от цвета и времени импульса, а не от общего количества подведенной энергии.

Электроны перераспределяются быстрее, чем реагирует решетка

Моделирование отслеживает несколько величин одновременно: число возбужденных электронов, как они теряют энергию и присоединяются к низкоэнергетическому «море» электронов, переходную электронную температуру и результирующую намагниченность. Ключевой результат: для всех протестированных цветов импульса — от оптического до рентгеновского — материалы теряют большую часть намагниченности менее чем за 100 фемтосекунд. Это быстрое изменение обусловлено почти полностью электронным возбуждением и последующим перераспределением электронов между состояниями с спином вверх и вниз в магнитно чувствительной зоне. Более медленные процессы, такие как колебания атомной решетки или взаимодействия между разными магнитными участками, просто слишком медленны, чтобы играть роль на этой шкале времени.

Одинаковое конечное состояние, разные пути

Важное наблюдение заключается в том, что при фиксированной поглощенной дозе конечное магнитное состояние одного домена почти не зависит от энергии фотона. Независимо от того, оптический это импульс или рентгеновский, система приходит к схожим электронным температурам и похожему снижению намагниченности. Различия проявляются главным образом во временных характеристиках: для очень коротких импульсов каскад столкновений электронов, инициируемый фотоном с большой энергией, может разворачиваться несколько фемтосекунд, что слегка задерживает начало демагнетизации по сравнению с оптическими импульсами. В кобальте и никеле модель показывает, что когда импульс значительно длиннее этого времени каскада, временной профиль самого импульса в значительной степени определяет скорость падения намагниченности.

Что это значит для будущих магнитных устройств

Проще говоря, авторы приходят к выводу, что самый ранний — менее 100 фемтосекунд — этап потери намагниченности определяется тем, как световой импульс перераспределяет электроны, а не более медленными движениями решетки или сложной спиновой текстурой. Объем потерянной намагниченности в основном зависит от того, сколько энергии на атом поглощено, в то время как точная цветность света в основном влияет на детализацию временных характеристик. Это понимание предлагает дорожную карту для управления ультрабыстрыми магнитными откликами с помощью тщательно сформированных световых импульсов — шаг к надежным радиационно управляемым магнитным переключателям, работающим на предельных скоростях, задаваемых движением электронов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: ультрабыстрая демагнетизация, фемтосекундные световые импульсы, магнитные материалы, кобальт и никель, динамика электронов