百万分之一秒的退磁揭示爱因斯坦-德哈斯效应
100多年前阿尔伯特·爱因斯坦和约翰尼斯·德哈斯发现，当他们用磁场翻转一根悬挂在一根线上的铁棒的磁场状态时，铁棒开始旋转。现在，美国能源部(Department of Energy) SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的实验首次看到，当磁性材料以百万分之一秒的超快速度退磁时会发生什么：材料表面的原子会像铁棒那样移动。这项研究工作是在SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射线激光器上完成的，并于本月早些时候发表在《自然》上。瑞士苏黎世ETH的科学家克里斯蒂安·多恩斯(Christian Dornes)是该报告的主要作者之一。多恩斯说：我在课堂上学过这些现象，但亲眼看到角动量的转移确实会让物体机械地移动，这真的很酷。
能够像这样在原子尺度上工作，并相对直接地看到发生了什么，是一百年前伟大物理学家的梦想。在原子尺度上，一种材料的磁性取决于它的电子。在强磁体中，磁性来自电子一种叫做自旋的量子特性。虽然电子自旋不涉及电子的实际旋转，但电子在某些方面的行为就像一个微小的旋转带电球。当大部分自旋指向相同的方向时，就像一群溜冰者齐声自旋一样，这种物质就具有磁性。当材料磁化被外部磁场逆转时，溜冰者的同步舞蹈变成了狂热，舞蹈者向各个方向旋转。它们的净角动量，这是它们旋转运动的度量，当它们的旋转相互抵消时，角动量降为零。由于材料的角动量必须守恒，它就会转化为机械旋转，正如爱因斯坦-德哈斯实验所证明的那样。
1996年研究人员发现，在飞秒级的时间范围内，用一种强度高、超快的激光脉冲轰击一种磁性材料，几乎能在瞬间使其退磁。理解角动量的变化是一个挑战。在这篇论文中，研究人员利用LCLS的一项新技术，结合苏黎世联邦理工学院的测量结果，将这两种现象联系起来。他们证明，当激光脉冲在薄铁膜中引发超快退磁时，角动量的变化会迅速转化为初始的踢动，从而导致样品表面原子的机械旋转。这个实验的一个重要结论是，尽管这种效应只在表面上显现，但它会在整个样本中发生。当角动量通过材料传递时，大部分材料中的原子试图扭曲，但相互抵消。这就像一群人挤在一列火车上，试图在同一时间转弯。就像只有边缘的人才有移动的自由一样，只有材料表面的原子才能旋转。
在实验中，研究人员用激光脉冲轰击铁膜以启动超快的退磁，然后用强烈的x射线以一个几乎与表面平行的角度擦过铁膜。利用x射线在薄膜上散射时形成的图案来了解角动量在这一过程中的去向。参与这项研究的三名SLAC科学家之一宋桑戈(Sanghoon Song)说：由于x射线的角度较浅，实验对材料表面的运动非常敏感，这是观察机械运动的关键。为了进一步研究这些结果，研究人员将在LCLS上用更复杂的样本做进一步实验，以更精确地找出角动量进入结构的速度和直接程度。他们所了解到将导致更好的超快去磁模型，这可能有助于开发用于数据存储的光控设备。
苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和瑞士保罗•谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的科学家、教授史蒂文•约翰逊(Steven Johnson)是这项研究的负责人之一，他表示，该研究小组在磁性以外领域的专长，使他们能够从不同的角度来解决这个问题，更好地为他们的成功定位。约翰逊说：其他研究小组此前曾多次尝试了解这一点，但都以失败告终，因为他们没有优化实验以寻找这些微小的影响，被其他更大的效应所淹没，比如激光热引起的原子运动，我们的实验对角动量传递产生的运动更加敏感。
博科园-科学科普｜研究/来自：SLAC国家加速器实验室
Ali Sundermier, SLAC National Accelerator Laboratory
参考期刊文献:《自然》
论文DOI: 10.1038/s41586-018-0822-7
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