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新材料本應(yīng)使信息處理更加有效，例如通過超快自旋電子器件，用更少的能量輸入存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。但是到目前為止，還存在一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)亟待超越——那就是超快退磁的微觀機(jī)制還沒有完全弄清楚。

通常，研究退磁過程是通過向樣品發(fā)送超短激光脈沖，從而加熱樣品，然后分析系統(tǒng)在前幾皮秒（ picoseconds）內(nèi)是如何演化的。

實(shí)驗(yàn)過程中保持樣品恒溫的發(fā)光燈絲。來源：HZB

該研究的主要作者Régis Decker博士解釋道：“我們的方法與傳統(tǒng)方式有極大不同。在光譜采集過程中，我們將樣品保持在一定的溫度。在特定的不同溫度下進(jìn)行觀察。在用鎳和鐵鎳做的實(shí)驗(yàn)中，從-120℃到450℃不等，甚至高達(dá)1000℃。這使我們能夠量化每個(gè)溫度下聲子對(duì)超快退磁的影響，其中晶格、電子和自旋子系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間演變。

XES光譜獲得的(a) 鎳(b) 銅角動(dòng)量轉(zhuǎn)移率。(c)是從(a)中的擬合速率推導(dǎo)出的動(dòng)量轉(zhuǎn)移壽命。

鎳的溫度相關(guān)XES圖

換句話說，通過將系統(tǒng)置于某個(gè)溫度，我們在超短激光脈沖之后的給定時(shí)間捕獲晶格的特定狀況和環(huán)境，并在那里進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量?！?/section>

元素釓（Gadolinium）有4f和5d電子軌道，這兩個(gè)軌道都有助于它的磁性。溫度越高，晶體樣品振動(dòng)得越多。正如物理學(xué)家所說——當(dāng)聲子數(shù)量逐漸增加，由于電子與晶格聲子的散射，自旋翻轉(zhuǎn)就越有可能發(fā)生。

4f衰變特征的溫度依賴性。(a)在室溫下獲得的Gd N5邊緣能量區(qū)的RIXS圖。143.5 eV（白色豎線）激發(fā)能對(duì)應(yīng)于(c)中所示的光譜。(b)在總電子產(chǎn)額模式下測(cè)量的對(duì)應(yīng)RIXS能量區(qū)的吸收光譜。(c)在激發(fā)能獲得的RIXS頻譜。(d)6P、6D和6G多重峰的面積與溫度的函數(shù)關(guān)系。

利用非彈性X射線散射(RIXS)的方法，物理學(xué)家不僅能夠確定給定溫度下聲子的數(shù)量，而且能夠區(qū)分聲子與4f電子和5d電子之間的相互作用。使用嚴(yán)格的X射線光譜對(duì)稱性選擇規(guī)則，該評(píng)估成功地區(qū)分了4f和5d電子的散射率。

數(shù)據(jù)表明，局部4f電子與聲子之間幾乎沒有任何散射，但大部分散射過程發(fā)生在5d電子與聲子之間，因此自旋翻轉(zhuǎn)也只發(fā)生在那里。

Decker補(bǔ)充道：“我們的方法證明，眾所周知的超快退磁的主要觸發(fā)因素之一——電子-聲子散射只適用于5d電子。有趣的是，它還顯示了溫度閾值的存在，該閾值取決于材料。低于該閾值，該機(jī)制不會(huì)發(fā)生。這表明在較低溫度下存在另一種微觀機(jī)制”。

來源：Spin-lattice angular momentum transfer of localized and valence electrons in the demagnetization transient state of gadolinium，Applied Physics Letters，

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超短激光脈沖探秘超快退磁，讓信息處理更高效