激光脉冲磁化：材料科学的未来转折不该存在的秘密是什么？

研究小组发现，超短激光脉冲可以使铁合金磁化，这一发现在磁传感器技术、数据存储和自旋电子学方面具有巨大的应用潜力。

要磁化铁钉，只需用条形磁铁敲击其表面数次即可。然而，还有一种更不寻常的方法：由亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心领导的一个团队前段时间发现，某种铁合金可以用超短激光脉冲磁化。研究人员现在已经与Laserinstitut Hochschule Mittweida合作，进一步研究了这一过程。他们发现，这种现象也发生在不同类别的材料上，这大大拓宽了潜在的应用前景。该工作组在科学期刊《先进功能材料》上发布了研究结果。

这个意想不到的发现是在 2018 年发现的。当HZDR团队用超短激光脉冲照射一层薄薄的铁铝合金时，非磁性材料突然变得具有磁性。解释：激光脉冲重新排列晶体中的原子，使铁原子靠得更近，从而形成磁铁。然后，研究人员能够用一系列较弱的激光脉冲再次使该层消磁。这使他们能够发现一种在表面上创建和擦除微小“磁点”的方法。

然而，试点实验仍然留下了一些未解之谜。“目前尚不清楚这种效应是否只发生在铁铝合金或其他材料中，”HZDR物理学家Rantej Bali博士解释说。“我们还想尝试跟踪该过程的时间进展。”为了进一步研究，他与LHM的Theo Pflug博士和西班牙萨拉戈萨大学的同事合作。

专家们特别关注铁钒合金。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加混乱，形成非晶状玻璃状结构。为了观察激光照射后会发生什么，物理学家使用了一种特殊的方法：泵浦探针法。

“首先，我们用强激光脉冲照射合金，使材料磁化，”Theo Pflug解释道。“同时，我们使用第二个较弱的脉冲，该脉冲反射到材料表面。

对反射激光脉冲的分析提供了材料物理特性的指示。这个过程重复几次，从而不断延长第一个“泵浦”脉冲和随后的“探针”脉冲之间的时间间隔。

结果，获得了反射数据的时间序列，从而可以表征由激光激发触发的过程。“整个过程类似于生成翻书，”Pflug说。“同样，一系列单独的图像在快速连续观看时会动画化。”

快速熔化

结果：虽然铁钒合金具有与铁铝化合物不同的原子结构，但也可以通过激光磁化。“在这两种情况下，材料都会在照射点短暂熔化，”Rantej Bali解释道。“这导致激光擦除先前的结构，从而在两种合金中产生小的磁区。

一个令人鼓舞的结果：显然，这种现象不仅限于特定的材料结构，而且可以在不同的原子排列中观察到。

该团队还在跟踪该过程的时间动态：“至少我们现在知道事情发生在哪个时间尺度上，”Theo Pflug解释道。在飞秒内，激光脉冲激发材料中的电子。几皮秒后，被激发的电子将其能量转移到原子核。

因此，这种能量转移导致重新排列成磁性结构，该结构通过随后的快速冷却而稳定。在后续实验中，研究人员旨在通过用强烈的X射线检查磁化过程来准确观察原子如何重新排列自己。

将目光投向应用

虽然仍处于早期阶段，但这项工作已经为可能的应用提供了初步的想法：例如，通过激光将微小的磁铁放置在芯片表面是可以想象的。“这对于生产敏感的磁传感器很有用，例如用于车辆的磁传感器，”Rantej Bali推测。“它还可以在磁性数据存储中找到可能的应用。

此外，这种现象似乎与一种新型电子学有关，即自旋电子学。在这里，磁信号应该用于数字计算过程，而不是像往常一样通过晶体管的电子——为未来的计算机技术提供了一种可能的方法。