El efecto Einstein–de Haas ultrarrápido

Por Francisco R. Villatoro, el 3 enero, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 2

En 1915, Einstein y de Haas observaron que un cilindro de hierro en una balanza de torsión se pone a rotar tras ser magnetizado. Este experimento demostró la relación entre el magnetismo y el momento angular. Hoy sabemos que el origen del magnetismo es el espín de los electrones. Se publica en Nature el experimento inverso. Usando pulsos láser ultrarrápidos (800 nm y 40 fs) se ha desmagnetizado una película de hierro. El cambio brusco en los espines de los electrones produce un cambio en su momento angular que se observa como una onda mecánica en la red cristalina usando rayos X; esta onda se propaga desde la superficie hasta el interior del material ferromagnético.  Un bello experimento que nos sirve para recordar que Einstein también publicó artículos experimentales.

También sirve para recordar otro hecho físico a veces olvidado. Igual que podemos sumar una fuerza gravitacional y una fuerza eléctrica, porque ambas comparten las mismas unidades, aunque su origen físico es diferente, podemos sumar el momento angular de espín del electrón y su momento angular orbital. El espín no tiene nada que ver con una rotación (mecánica) del electrón, a pesar de su nombre, sino con una «rotación» de los grados de libertad internos de las componentes del campo cuántico del electrón; esta rotación interna tiene simetría SU(2), que es un grupo recubridor de SO(3), que es el grupo que describe la simetría del momento angular, por ello tienen las mimas unidades físicas.

El artículo es C. Dornes, Y. Acremann, …, S. L. Johnson, “The ultrafast Einstein–de Haas effect,” Nature (02 Jan 2019), doi: 10.1038/s41586-018-0822-7arXiv:1804.07159 [cond-mat.str-el]. Por cierto, cuando apareció el manuscrito en arXiv recibió cierto eco en algunos blogs, como Douglas Natelson, “The Einstein-de Haas effect,” nanoscale views, 21 Apr 2018.

En el experimento de magnetización de Einstein–de Haas, y en el nuevo experimento de desmagnetización ultrarrápida, el punto clave es que el momento angular de espín y el momento angular orbital del electrón se pueden sumar. Gracias a ello, usando la ley de conservación del momento angular para un sistema con simetría axial (teorema de Noether), un cambio en la dirección del espín de los electrones implica un cambio en su momento angular orbital.

En el nuevo artículo se estudia la hipótesis de que este acoplamiento espín-órbita es el responsable de la desmagnetización ultrarrápida (se han propuesto otros mecanismos alternativos, como la dispersión electrón-electrón, electrón-magnón, o incluso la interacción directa espín-luz). Los resultados obtenidos se ajustan muy bien con las predicciones teóricas para dicha hipótesis. La transferencia de momento angular de los espines a la red de cristalina vía la interacción espín-órbita ocurre en una escala de tiempo de 200 fs y es responsable de al menos el 80% de todo el momento angular que pierde el sistema de espines durante la desmagnetización.

Esa figura muestra los resultados de los simulaciones por ordenador para la velocidad transversal (izquierda) y longitudinal (derecha) de la onda de esfuerzos en la película de hierro (Fe, fondo gris) sobre el sustrato de aluminato de magnesio (MgAl2O4, fondo blanco). Como se observa, el pico inicial (0.04 ps) en la interfaz da lugar a dos ondas que se mueven en direcciones opuestas (mostradas a 0.5 ps, 1 ps y 1.5 ps); para la velocidad longitudinal estas ondas tienen el perfil de sendos frentes de onda, cuando para la velocidad transversal son claramente dispersivas. Los interesados en los detalles del modelo matemático y las simulaciones numéricas pueden consultar el artículo.

¿Para qué sirve este nuevo trabajo? El objetivo es entender la ciencia básica del mecanismo de la desmagnetización ultrarrápida. Aún así, los autores proponen que puede tener aplicaciones prácticas en los sistemas de conmutación completamente ópticos (all-optical switching), en los que se aprovecha como intermediario la desmagnetización ultrarrápida. Pero quizás haya muchas otras aplicaciones más prometedoras aún por desvelar.



2 Comentarios

  1. El láser a 800ns puede provocar la fluencia del hierro, con un micraje tan discreto un mW a 355nm podría ablacionar el film, supongo que usarán potencias ultra bajas. Francis, ¿conoces algún modelo físico de cómo interacciona un haz láser UV colimado y focalizado en metales justo antes del límite de fluencia?

    Gracias por todo lo que haces!!

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