El intenso láser magnetiza los sólidos en cuestión de segundos

La luz láser intensa puede crear un magnetismo de attosegundos en sólidos con átomos pesados, proporcionando nuevos conocimientos sobre la magnetización y potencialmente habilitando dispositivos de memoria ultrarrápidos.

La luz láser intensa puede inducir magnetismo en sólidos en la escala de attosegundos, la respuesta magnética más rápida hasta el momento. Este es el hallazgo realizado por los teóricos de MPSD, que han utilizado simulaciones avanzadas para investigar el proceso de magnetización en muchos materiales 2D y 3D. Sus cálculos muestran que, en estructuras con átomos pesados, la dinámica de electrones rápidos iniciada por los pulsos de láser se puede convertir en magnetismo de attosegundos. El trabajo ha sido publicado en la revista materiales aritméticos npj.

El equipo se centró en varios sistemas de materiales 2D y 3D estándar, pero los resultados se aplican a todos los materiales con componentes atómicos pesados. «Los átomos pesados ​​son particularmente importantes porque inducen una fuerte interacción espín-orbital», explica el autor principal, Ofer Neufeld. «Esta interacción es la clave para convertir el movimiento de electrones inducido por la luz en polarización x, en otras palabras, en magnetismo. De lo contrario, la luz simplemente no interactúa con el giro de los electrones».

Al igual que las agujas de una pequeña brújula, también se puede imaginar que los electrones tienen una aguja interna que apunta en alguna dirección en el espacio, digamos «arriba» o «abajo», el llamado «giro». La dirección de giro de cada electrón depende del entorno químico que lo rodea, por ejemplo, qué átomos puede ver y dónde están los otros electrones. En los materiales no magnéticos, los electrones giran por igual en todas las direcciones. Por el contrario, cuando los espines individuales de los electrones se alinean entre sí para apuntar en la misma dirección, el material se vuelve paramagnético.

Los teóricos se propusieron investigar los fenómenos magnéticos que pueden ocurrir cuando los sólidos interactúan con pulsos de láser altamente polarizados linealmente, que normalmente aceleran los electrones en escalas de tiempo muy rápidas dentro del material. «Estas condiciones son fascinantes de explorar, porque cuando los pulsos de láser tienen polarización lineal, generalmente se cree que no inducen magnetismo», dice Neufeld.

Inesperadamente, sus simulaciones mostraron que estos láseres particularmente potentes magnetizan materiales, aunque la magnetización es transitoria: solo dura hasta que se apaga el pulso láser. Sin embargo, el descubrimiento más notable tuvo que ver con la velocidad de este proceso: la magnetización se desarrolla en escalas de tiempo extremadamente cortas, menos de 500 attosegundos, una predicción de la respuesta magnética más rápida jamás vista. Un attosegundo es una millonésima de segundo (1 x 10⁻¹⁸ del segundo). En escala, un attosegundo equivale a un segundo ya que un segundo equivale a unos 32 mil millones de años.

Usando herramientas de simulación avanzadas para explicar el mecanismo subyacente, el equipo ha demostrado que la luz intensa cambia el giro de los electrones de un lado a otro. El láser acelera efectivamente los electrones en órbitas circulares dentro de una distancia de unos pocos cientos de attosegundos. Estas fuertes interacciones espín-órbita luego alinean las direcciones de espín. El proceso se puede imaginar como una bola de boliche deslizándose por una superficie y luego comenzando a rodar: en esta analogía, la luz empuja la bola y las interacciones espín-órbita (una fuerza que surge de los núcleos pesados ​​cercanos cuando el electrón gira) causan para que ruede hacia adelante y hacia atrás, magnetizándolo. Ambas fuerzas trabajan juntas para hacer rodar la pelota.

Los resultados ofrecen nuevos conocimientos fascinantes sobre los fundamentos de la magnetización, dice Neufeld: «Descubrimos que es un efecto altamente no lineal que puede ajustarse mediante las propiedades del láser. Los resultados, aunque no se prueban de manera inequívoca, indican que el límite de velocidad magnética es varias decenas de attosegundos.”, porque este es el límite de velocidad normal para el movimiento electrónico.”

Comprender los procesos de magnetización inducidos por la luz en su nivel fundamental en una variedad de materiales es un paso crucial hacia el desarrollo de dispositivos de memoria ultrarrápidos y cambia la comprensión actual del magnetismo.

Referencia: «Dinámica de la magnetización de attosegundos en materiales no magnéticos impulsada por láseres de femtosegundos intensos» Por Over Neufeld, Nicholas Tankogen Degen, Umberto Di Giovannini, Hans Hubener y Angel Rubio, 23 de marzo de 2023, disponible aquí. materiales aritméticos npj.
DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7