控制稀土元素磁性能的新方法

稀土磁性材料的特殊性質(zhì)源于4f電子層，迄今為止，4f電子的磁性被認(rèn)為幾乎不可能控制。

現(xiàn)在，來自 HZB、柏林自由大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)首次證明激光脈沖可以影響 4f 電子，從而改變其磁性。這一發(fā)現(xiàn)是通過 EuXFEL 和 FLASH 的實(shí)驗(yàn)得出的，為利用稀土元素進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開辟了一條新途徑。

我們所知的最強(qiáng)磁鐵是以稀土元素為基礎(chǔ)的。它們的 4f 電子決定了它們的磁性：它們產(chǎn)生很大的磁矩，即使化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，磁矩也能保持。這意味著稀土元素可以用于非常不同的化合物和合金中，而不會(huì)改變其特殊的磁性。

到目前為止，人們認(rèn)為，即使用激光脈沖激發(fā)材料，4f 電子的磁性也不會(huì)改變。但事實(shí)上，這是可能的，正如來自 HZB、柏林自由大學(xué)、DESY、歐洲 X 射線激光器 XFEL 和其他機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在所證明的那樣。

4f 電子的空間排列可以通過激光激發(fā)短暫切換。這也會(huì)改變它們的磁性。這種效應(yīng)為快速高效地控制磁性稀土材料開辟了新的可能性。該研究現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

在X射線激光器EuXFEL和FLASH上研究鋱

研究團(tuán)隊(duì)在X射線激光器EuXFEL和FLASH上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析了鋱的樣品。鋱是一種稀土元素，原子序數(shù)為65，4f軌道上共有8個(gè)電子。用超短激光脈沖激發(fā)樣品，然后用X射線光譜進(jìn)行分析。

研究中使用的軟X射線輻射能夠非常靈敏地確定材料的電子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，在激光激發(fā)后，4f電子短暫地切換到具有不同空間分布的軌道。這是由于5d電子的散射過程，這在以前從未考慮過。激光激發(fā)對(duì)4f電子的重新分布導(dǎo)致其磁性發(fā)生短暫轉(zhuǎn)變。

稀土材料作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備

這種受控切換為稀土材料開辟了新的應(yīng)用，例如節(jié)能、快速的信息存儲(chǔ)設(shè)備。到目前為止，稀土還沒有用于磁存儲(chǔ)介質(zhì)。

最新的存儲(chǔ)介質(zhì)是所謂的 HAMR(熱輔助磁記錄)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，其中磁性結(jié)構(gòu)由激光脈沖加熱，以便通過磁鐵進(jìn)行切換。

借助更強(qiáng)大的稀土磁鐵，超短激光脈沖現(xiàn)在可以激發(fā) 4f 電子并實(shí)現(xiàn)切換——這種電子效應(yīng)甚至比 HAMR 存儲(chǔ)器中的加熱機(jī)制更快、更有效。

BESSY II 的超短 X 射線脈沖高分辨率光譜分析

這項(xiàng)研究的開展得益于近幾十年來加速器式 X 射線源的開發(fā)，這種 X 射線源可以產(chǎn)生超短 X 射線脈沖。這些 X 射線源可以在幾飛秒的時(shí)間尺度上觀察磁性材料中的基本過程。一飛秒(10 -15秒)是十億分之一秒的百萬分之一。光在 300 飛秒內(nèi)傳播的距離約為一根頭發(fā)的寬度。

這項(xiàng)工作在歐洲 X 射線激光器EuXFEL 和漢堡 FLASH 上進(jìn)行。HZB 還運(yùn)行著一個(gè)短脈沖 X 射線源，該源將在今年年底前進(jìn)行擴(kuò)展，專門用于高光譜分辨率的實(shí)驗(yàn)。屆時(shí)，BESSY II 也將為此類實(shí)驗(yàn)提供最佳條件。柏林是世界領(lǐng)先的超快磁效應(yīng)研究中心之一。

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