توسعه نسل بعدی دستگاه‌های اسپینترونیک، نیاز به سطح پیشرفته‌تری از تغییر مواد پیچیده و حالت اسپین آنها در مقیاس‌های زمانی کوتاه دارد. با این حال، بهره‌برداری کامل از این قابلیت‌ها برای نانوتکنولوژی‌های کارآمدتر، نیازمند درک دقیق مکانیسم‌های فیزیکی از تغییر اسپین در مقیاس نانو است. برهمکنش پالس های لیزرفوق سریع با مواد مغناطیسی می تواند دینامیک چرخش پیچیده را هم در حین و هم بعد از پالس لیزر القا کند. هنگامی که با پراب های فوق سریع ماوراء بنفش (EUV) و اشعه ایکس نرم ترکیب میشود، میتوان دینامیک اسپین ِمخصوص عنصر را در سیستم‌های مغناطیسی چند قسمتی تشخیص داد و اطلاعاتی را فراهم کرد که با استفاده از نور مرئی قابل دسترسی نیست. مطالعات اولیه تغییراسپین ناشی از لیزر، فرض می‌کردند که تغییرات در حالات مغناطیسی مواد یک فرآیند ثانویه است که توسط توزیع اولیه الکترون داغ آغاز میشود. در مدل الکترون داغ، الکترون‌ها ابتدا فوتون‌های لیزر را طی یک پالس تحریک لیزر فمتوثانیه جذب می‌کنند. بعد از آن تغییر اسپین با واسطه الکترون فونون و سایر فرآیندهای پراکندگی باعث جذب تکانه زاویه ای و مغناطیس زدایی نمونه در مقیاس های زمانی تقریباً 0.5 پیکوثانیه یا بیشترمی‌شود.
در اینجا، با ترکیب ویژگی پراب‌های با هارمونیک شدید (EUV) با نظریه تابعیت چگالی وابسته به زمان (TD-DFT) به بررسی و شناسایی یک نشانه قطعی از انتقال بین‌محلی قطبش اسپین، که ناشی ازنور در ترکیب Heusler (Co2MnGa) است، می‌پردازیم. مدل TD-DFT پیش‌بینی می‌کند، اگر ابری از الکترون‌ها در یک ماده، در معرض ورودی‌های مختلف قرار بگیرد ، چگونه لحظه به لحظه تکامل می‌یابد.
محققان برای بررسی دینامیک اسپین ترکیب Heusler ، از ابزاری نوآورانه استفاده کردند: پراب های فرابنفش با هارمونیک بالا. برای تولید پراب ها، محققان نور لیزر 800 نانومتری را در لوله ای پر از گاز نئون متمرکز کردند، در این قسمت میدان الکتریکی لیزر، الکترون ها را از اتم هایشان دور می کند و سپس آنها را به عقب می راند . هنگامی که الکترون ها به عقب برگشتند، مانند نوارهای لاستیکی آزاد شده پس از کشیده شدن عمل می‌کنند و تابش های ارغوانی با فرکانس (و انرژی) بالاتر از لیزری که آنها را به بیرون پرتاب کرده، ایجاد می‌کنند. این انفجارها طوری تنظیم شده است تا با انرژی های کبالت و منگنز درون نمونه تشدید کند. با استفاده از این تشدید دینامیک اسپین مخصوص عنصر و رفتارهای مغناطیسی آن اندازه گیری میشود.
شکل بالا میزان شدت بازگشتی از کرسیتال را نشان می‌دهد. پالس پمپ نمونه عنصر که کریستال آن نشان داده شده است را مورد تابش قرار می‌دهد. بعد از مدتی میزان مغناطیس این کرسیتال تغییر پیدا می‌کند. بعد از شروع این تغییرات با استفاده از تاباندن پراب و گزارش میزان شدت نور بازگشتی (که دارای مقادیر گسسته هستند) از کریستال، میتوان به اتفاقات در این کریستال پی برد. به عنوان مثال یکی از دو اتفاق زیر در اثر تابش پالس پمپ رخ خواهد داد که این دو با یکدیگر در رقابتند. اتفاق اول انتقال اسپین ها بین اتم های کوبالت و منگنز است که باعث میشود اتم کبالت تکانه بیشتری بگیرد و تکانه منگنز کاهش یابد و دراتفاق دوم ماده دی مغناطیسیده خواهد شد که باعث کاهش تکانه های جفت اتم های کوبالت و منگنز میشود.
پالس‌های فوق سریع از یک قطعه تیتانیوم گسیل میشوند سپس در 2 قطعه یاقوت کبود تقسیم میشوند و به طور همزمان به عنوان یک پمپ 800 نانومتری و پراب EUV تولید شده با استفاده از HHG استفاده میشوند. انرژی پراب با استفاده از ترکیبی از سه روش مختلف تنظیم شده است: (الف) با تنظیم طول موج مرکزی و پهنای باند پالس اصلی در تقویت‌کننده، (ب) با اعمال فیلترهای صاف کننده گین به پالس اصلی برای شیفت طول موجی به قرمز برای پالس تقویت‌شده و (ج)با اعمال پراکندگی مرتبه دوم به پالس طول موج های خاصی برای فرآیند با هارمونیک بالا ایجاد خواهد شد.
تغییرات انرژی کوچک در لیزر محرک منجر به تغییرات نسبتاً بزرگتری در انرژی پراب به دلیل ماهیت افزایشی HHG خواهد شد.از آنجایی که ما کنترل مستقلی روی پالس پمپ نداریم، باید در نظر بگیریم که چگونه لیزر اصلی بر پارامترهای پمپ تأثیر می گذارد. میزان تراکم پالس پمپ تحت تأثیر قرار خواهد گرفت چراکه انرژی مرکزی تقویت کننده با استفاده از سه تکنیک توضیح داده شده تغییر می‌کند. تغییر میزان تراکم منجر به طیفی از مدت زمان پالس پمپ از 40 تا 55 فمتو ثانیه بسته به انرژی پراب مورد نیاز می شود.
علاوه بر این، روشن ترین طول موج پمپ بسته به انرژی پروب مورد نیاز در محدوده ای از 775 تا 805 نانومتر وجود دارد. از آنجایی که این تغییرات در پالس پمپ حداقل است، به منظور تئوری و تفسیر، از یک پمپ 800 نانومتری (1.55 الکترون ولت)با مدت زمان 45 فمتوثانیه برای همه محاسبات استفاده شده است. با این حال، محدوده آزمایشی انرژی پمپ از 1.54 تا 1.60 الکترون ولت تأثیری بر انتقال مجاز پمپ، به ویژه در سراسر شکاف باند در کانال اقلیت خواهد داشت. زمان صفر آزمایش با تشخیص هرگونه تغییر در سیگنال مغناطیسی نوری که شروع پالس پمپ را نشان می دهد، تعیین می شود. در آخر کل شانه هارمونیک به طور همزمان توسط تراشه CCD اندازه گیری می شود.
محققان دریافتند که با تنظیم قدرت لیزر تحریک و رنگ (یا انرژی فوتون) پراب های HHG خود، می‌توانند تعیین کنند که کدام اثرات اسپین در زمان‌های مختلف درون ترکیبشان غالب است. آنها اندازه گیری های خود را با یک مدل محاسباتی پیچیده به نام نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان (TD-DFT) مقایسه کردند. قطعات الکترونیکی حال حاضر از بار الکترون استفاده می‌کند ولی اسپینترونیک به ما کمک می‌کند که به جای استفاده از بار الکترون، از اسپین الکترون نیز استفاده کنیم. اسپینترونیک یک جزء مغناطیسی نیز دارد. دلیل استفاده از اسپین به جای بار در قطعات الکترونیکی این است که اسپین دستگاه هایی با مقاومت و گرمایش حرارتی کمتر ایجاد کند که در نهایت سبب ایجاد دستگاه ها سریع تر و کارآمدتر شود.
منبع
Sinead Ryan et al, Optically controlling the competition between spin flips and intersite spin transfer in a Heusler half-metal on sub–100-fs time scales, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi1428. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi1428
