磁鐵能以多快的速度改變方向？以及起作用的微觀機制是什麼？BESSY II的一個HZB團隊首次對超快磁的主要微觀過程進行了實驗評估。為此目的開發的方法也可用於研究石墨烯、超導體或其他量子材料中自旋與晶格振盪之間的相互作用。電子與聲子之間的相互作用被認為是超快磁化或退磁過程(自旋翻轉)背後的微觀驅動力。然而，由於缺乏合適的方法，直到現在才有可能詳細地觀察到這樣的超快過程。
現在，由Alexander Fohlisch教授領導的一個團隊開發了一種新穎的方法，可以在鐵磁鎳和非磁性銅兩種模型系統中實驗確定電子聲子驅動的自旋反轉散射率，使用BESSY II的x射線發射光譜(x -射線發射光譜)來做這件事。x射線激發樣品中的核心電子(鎳或銅)，形成所謂的核心空穴，這些空穴隨後被價電子的衰變所填滿。
這種衰變導致光的發射，然後可以檢測和分析。樣品在不同溫度下測量，觀察晶格振動(聲子)從室溫上升到900攝氏度的影響。隨著溫度升高，鐵磁鎳的排放量明顯下降。這一觀察結果與鎳激發後電子能帶結構過程的理論模擬吻合得很好：
通過提高溫度從而增加聲子總體，電子與聲子之間的散射率增加。散射電子不再能衰變，這就導致了光發射的減弱。正如所料，在抗磁銅的情況下，晶格振動對測量到的輻射幾乎沒有任何影響。Fohlisch團隊的第一作者和博士後科學家Regis Decker博士說：我們相信研究不僅對磁性、固體電子特性和x射線發射光譜領域的專家很感興趣。
而且對對這一動態研究領域的最新發展感到好奇的更廣泛讀者也很感興趣。該方法還可用於分析石墨烯、超導體或拓撲絕緣體等新型量子材料的超快自旋翻轉過程。雖然在測量超短激光脈衝後的退磁時間方面做了大量工作，但對其微觀機理的實驗研究仍然很少。在過渡金屬鐵磁體中，電子和聲子散射驅動的導電電子自旋翻轉是其主要機理之一。
該研究提出了一種利用x射線發射光譜嚴格的原子對稱性選擇規則來監測鎳中，電子聲子介導自旋反轉散射速率的實驗方法。聲子群的增加導致三維→2p3/2衰減峰值強度減弱，這反映了自旋反轉引起角動量轉移散射率的增加。研究發現，在室溫下，鎳的三維帶自旋弛豫時間尺度為50 fs左右，而在相同方法下，抗磁反例銅的自旋弛豫時間，沒有出現這樣的峰值演化。
博科園｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協會
參考期刊《科學報告》
DOI: 10.1038/s41598-019-45242-8
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