磁性固体可以用短激光脉冲快速退磁，市场上已经有所谓的 HAMR（热辅助磁记录）存储器，是根据这一原理运作的。然而，超快退磁的微观机制仍不清楚。

现在，HZB 的一个团队在 BESSY II 开发了一种新方法来量化其中一种机制，并将其应用于稀土元素钆，其磁性是由 4f 和 5d 壳上的电子引起的。这项研究完成了该团队对镍和铁镍合金所做的一系列实验，了解这些机制对于开发超快数据存储设备非常有用。

图片显示了在测量过程中使样品保持恒定温度的发光灯丝。图片来源：© HZB

新材料应该使信息处理更加高效，例如，通过以较少能量输入存储数据的超快自旋电子设备。但迄今为止，超快退磁的微观机制尚不完全清楚。通常，通过向样品发送超短激光脉冲来研究退磁过程，从而将其加热，然后分析系统在此后的前几皮秒内如何演变。

晶格条件的快照

“我们的方法不同，”该研究的主要作者雷吉斯·德克尔博士解释说：“在光谱采集过程中，我们将样品保持在某个温度。我们在许多温度下都这样做，对于 Gd，从 -120°C 到 450°C——对于之前使用 Ni 和 FeNi 的实验，温度要高得多（1000°C）。这使我们能够量化每个温度下声子对超快退磁的影响，其中晶格、电子和自旋子系统的温度随时间变化。换句话说，通过将系统置于特定温度，我们进行了捕获超短激光脉冲后给定时间的晶格条件，我们在那里进行测量。”

检测钆

元素钆具有 4f 和 5d 电子轨道，这两者都有助于其铁磁特性。温度越高，结晶样品振动得越多。正如物理学家所说——声子的数量增加得越多，由于电子与来自晶格的声子的散射，自旋翻转就越有可能发生。

散射率区分

使用非弹性 X 射线散射 (RIXS) 方法，物理学家不仅能够确定给定温度下的声子数量，还能够区分声子与 4f 和 5d 电子之间的相互作用。使用严格的 X 射线光谱对称选择规则，评估成功区分了 4f 和 5d 电子的散射率。

5d 电子与声子相互作用

数据表明，局域化的 4f 电子和声子之间几乎没有任何散射，但大部分散射过程发生在 5d 电子和声子之间，因此自旋翻转只发生在那里。

“我们的方法证明，已知是超快退磁的主要触发因素之一的电子-声子散射仅适用于 5d 电子。有趣的是，它还表明存在温度阈值，这取决于材料，低于此值就不会发生这种机制。这表明在较低温度下存在另一种微观机制，正如理论所预测的那样，”德克尔解释说。