用激光脉冲磁化铁钒合金揭示了一个有前景的现象

要对铁钉进行磁化，只需用条形磁铁在其表面轻击几下即可。然而，还有一种更特别的方法：由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）领导的研究小组不久前发现，可以用超短激光脉冲对某种铁合金进行磁化。

现在，研究人员与米特韦达大学激光研究所（LHM）合作，进一步研究这一过程。他们发现，这种现象也会发生在另一类材料上--这大大拓宽了潜在的应用前景。工作组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志上发表了他们的研究成果。

如果强激光脉冲击中铁合金，材料会在照射点短暂熔化，形成一个微小的磁区。图片来源：HZDR / Sander Münster

这一意想不到的发现早在2018年就已出现。当 HZDR 团队用超短激光脉冲照射铁铝合金薄层时，这种非磁性材料突然变得具有磁性。

原因何在？激光脉冲使晶体中的原子重新排列，从而使铁原子靠近，形成磁体。随后，研究人员又用一系列较弱的激光脉冲使该层再次消磁。这使他们发现了一种在表面上产生和消除微小 "磁点 "的方法。

然而，试验性实验仍有一些问题没有得到解答。"HZDR 物理学家 Rantej Bali 博士解释说："还不清楚这种效应是否只发生在铁铝合金中，还是也发生在其他材料中。"我们还想尝试追踪这一过程的时间进程"。为了进行进一步研究，他与 LHM 的 Theo Pflug 博士以及西班牙萨拉戈萨大学的同事合作。

激光脉冲翻书

专家们特别关注一种铁钒合金。与具有规则晶格的铁铝合金不同，铁钒合金中的原子排列更为混乱，形成了无定形的玻璃状结构。为了观察激光照射后的情况，物理学家使用了一种特殊的方法：泵浦探针法。

"Theo Pflug 解释说："首先，我们用强激光脉冲照射合金，使材料磁化。"同时，我们使用第二个较弱的脉冲在材料表面反射。

通过对反射激光脉冲的分析，可以了解材料的物理特性。这个过程会重复多次，从而不断延长第一个 "泵浦 "脉冲和随后的 "探测 "脉冲之间的时间间隔。

因此，可以获得反射数据的时间序列，从而确定激光激发过程的特征。"整个过程类似于生成一本翻页书，"Pflug 说。"同样，一系列单独的图像在快速连续观看时也会产生动画效果"。

快速熔化

结果虽然与铁铝化合物的原子结构不同，但铁钒合金也可以通过激光进行磁化。"在这两种情况下，材料都会在照射点短暂熔化，"Rantej Bali 解释道。"这使得激光抹去了之前的结构，从而在两种合金中都产生了一个小的磁区"。

这是一个令人鼓舞的结果：显然，这种现象并不局限于特定的材料结构，而是可以在不同的原子排列中观察到。

研究小组还在跟踪这一过程的时间动态："Theo Pflug 解释说："至少我们现在知道在哪个时间尺度上发生了什么。"飞秒内，激光脉冲激发材料中的电子。几皮秒后，激发的电子将能量转移到原子核上"。

"因此，这种能量转移会导致磁性结构的重新排列，而随后的快速冷却又会使磁性结构趋于稳定。在后续实验中，研究人员希望通过强 X 射线检查磁化过程，观察原子究竟是如何重新排列的。

着眼于应用

尽管这项工作仍处于早期阶段，但已经为可能的应用提供了初步思路：例如，通过激光在芯片表面放置微小磁铁是可以想象的。"Rantej Bali 推测说："这可能有助于生产敏感的磁性传感器，例如汽车上使用的传感器。"它也有可能应用于磁性数据存储"。

此外，这种现象似乎还与一种新型电子学有关，即自旋电子学。在这里，磁信号应被用于数字计算过程，而不是像通常那样电子通过晶体管--这为未来的计算机技术提供了一种可能的方法。