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

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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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