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国外研究团队首次利用X射线激光改变稀土元素的磁性

日期: 2024-07-25
浏览次数: 7
来源:国家稀土功能材料创新中心


稀土磁性材料的特殊性质源于4f电子层,迄今为止,4f电子的磁性被认为几乎不可能控制。
现在,来自 HZB、柏林自由大学和其他机构的团队首次证明激光脉冲可以影响 4f 电子,从而改变其磁性。这一发现是通过 EuXFEL 和 FLASH 的实验得出的,为利用稀土元素进行数据存储开辟了一条新途径。
我们所知的最强磁铁是以稀土元素为基础的。它们的 4f 电子决定了它们的磁性:它们产生很大的磁矩,即使化学环境发生变化,磁矩也能保持。这意味着稀土元素可以用于非常不同的化合物和合金中,而不会改变其特殊的磁性。
到目前为止,人们认为,即使用激光脉冲激发材料,4f 电子的磁性也不会改变。但事实上,这是可能的,正如来自 HZB、柏林自由大学、DESY、欧洲 X 射线激光器 XFEL 和其他机构的团队现在所证明的那样。
4f 电子的空间排列可以通过激光激发短暂切换。这也会改变它们的磁性。这种效应为快速高效地控制磁性稀土材料开辟了新的可能性。该研究现已发表在《科学进展》杂志上。
在 EuXFEL 和 FLASH X 射线激光器上研究铽
 研究团队在X射线激光器EuXFEL和FLASH上进行了实验,分析了铽的样品。铽是一种稀土元素,原子序数为65,4f轨道上共有8个电子。用超短激光脉冲激发样品,然后用X射线光谱进行分析。
研究中使用的软X射线辐射能够非常灵敏地确定材料的电子结构。实验表明,在激光激发后,4f电子短暂地切换到具有不同空间分布的轨道。这是由于5d电子的散射过程,这在以前从未考虑过。激光激发对4f电子的重新分布导致其磁性发生短暂转变。
稀土材料作为数据存储设备
 这种受控切换为稀土材料开辟了新的应用,例如节能、快速的信息存储设备。到目前为止,稀土还没有用于磁存储介质。
最新的存储介质是所谓的 HAMR(热辅助磁记录)数据存储设备,其中磁性结构由激光脉冲加热,以便通过磁铁进行切换。
借助更强大的稀土磁铁,超短激光脉冲现在可以激发 4f 电子并实现切换——这种电子效应甚至比 HAMR 存储器中的加热机制更快、更有效。
BESSY II 的超短 X 射线脉冲高分辨率光谱分析
 这项研究的开展得益于近几十年来加速器式 X 射线源的开发,这种 X 射线源可以产生超短 X 射线脉冲。这些 X 射线源可以在几飞秒的时间尺度上观察磁性材料中的基本过程。一飞秒(10 -15秒)是十亿分之一秒的百万分之一。光在 300 飞秒内传播的距离约为一根头发的宽度。
这项工作在欧洲 X 射线激光器EuXFEL 和汉堡 FLASH 上进行。HZB 还运行着一个短脉冲 X 射线源,该源将在今年年底前进行扩展,专门用于高光谱分辨率的实验。届时,BESSY II 也将为此类实验提供最佳条件。柏林是世界领先的超快磁效应研究中心之一。



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