A via não térmica usa o efeito Faraday inverso

Pulsos intensos de laser podem ser usados ​​para manipular ou até mesmo alternar a orientação de magnetização de um material em escalas de tempo extremamente curtas. Normalmente, tais efeitos são induzidos termicamente, pois a energia do laser absorvida aquece o material muito rapidamente, causando uma perturbação ultrarrápida da ordem magnética.

Cientistas do Instituto Max Born (MBI), em colaboração com uma equipe internacional de pesquisadores, demonstraram agora uma abordagem não térmica eficaz para gerar grandes mudanças de magnetização.

Ao expor uma liga ferrimagnética de ferro-gadolínio a pulsos circularmente polarizados de radiação ultravioleta extrema (XUV), eles puderam revelar uma resposta magnética particularmente forte dependendo da direção da explosão de luz XUV incidente (polarização circular esquerda ou direita).

O mecanismo subjacente é baseado no efeito Faraday inverso, que não depende da absorção da luz, mas fornece uma interação eficiente entre sua polarização e os momentos magnéticos no material. O estudo foi publicado em Física das Comunicações.

Quando um pulso de laser intenso atinge um meio magnetizado, seu impacto na magnetização geralmente pode ser atribuído à quantidade de energia introduzida no material quando ele é absorvido.

Microscopicamente, isso corresponde a uma excitação óptica de elétrons, que são rapidamente levados ao desequilíbrio e começam a se espalhar entre si e com outras quasipartículas, alterando o spin e os momentos orbitais dos elétrons e, portanto, a magnetização de longo alcance.

Embora tais mecanismos deem origem a uma variedade de fenômenos fascinantes, incluindo desmagnetização ultrarrápida e comutação de magnetização induzida por laser, eles têm o preço de uma carga de calor substancial no material, limitando a aplicabilidade tecnológica onde taxas de repetição rápidas são necessárias, por exemplo, para operações de leitura/gravação em futuras tecnologias de armazenamento de dados.

Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada por cientistas do MBI, agora estudou um caminho totalmente diferente e não térmico de manipulação do magnetismo pela luz. Sua abordagem é baseada em um fenômeno optomagnético que não depende do aquecimento eletrônico induzido pela absorção da luz, mas sim de uma interação direta e coerente entre a polarização da luz e os spins eletrônicos.

O mecanismo subjacente é o efeito Faraday inverso (IFE), que leva à geração de momentos magnéticos em um meio opticamente excitado por radiação polarizada circularmente, com a direção da magnetização dependendo da polarização circular ser esquerda ou direita, ou seja, sua helicidade.

Entretanto, como as propriedades metálicas e altamente absorventes da maioria dos materiais ferro e antiferromagnéticos normalmente suprimem os efeitos não térmicos mencionados acima, uma técnica especial teve que ser desenvolvida para gerar uma resposta optomagnética considerável.

Usando pulsos de femtossegundos polarizados circularmente de radiação ultravioleta extrema (XUV), gerados no laser de elétrons livres FERMI, os cientistas puderam demonstrar a geração de uma magnetização induzida por IFE particularmente forte em uma liga metálica ferrimagnética de ferro-gadolínio (FeGd).

Isso é possível devido à alta energia dos fótons da radiação XUV, permitindo a excitação ressonante de elétrons fortemente ligados no nível do núcleo, que devido às suas propriedades intrínsecas (em particular, um forte acoplamento spin-órbita) facilitam a geração de grandes efeitos optomagnéticos.

Com esta abordagem, os cientistas puderam mostrar que, para diferentes energias de fótons XUV em torno do Fe M_3,2 ressonância em nível de núcleo, a magnetização induzida por IFE pode atingir até 20–30% da magnetização do estado fundamental da liga, medida pela diferença entre a desmagnetização ultrarrápida induzida para hélices opostas dos pulsos XUV polarizados circularmente.

Com o apoio da teoria ab initio e de simulações de dinâmica de spin, também foi possível demonstrar que os efeitos observados estão alinhados com a resposta IFE esperada e não podem ser explicados por um mecanismo puramente dependente de helicidade térmica, como o bem estabelecido dicroísmo circular magnético de raios X (XMCD).

Fornecendo um método eficiente para a geração não térmica de grande magnetização em escalas de tempo ultrarrápidas, espera-se que essas descobertas sejam de alta relevância para os campos do magnetismo ultrarrápido e da spintrônica, bem como para o controle da magnetização coerente e para a ciência das interações não lineares entre matéria e raios X.