Jonas Wätzel et al. / Physical Review Letters, 2022
Физики навели наносекундную намагниченность на газ атомов гелия с помощью света. Для этого они использовали комбинацию двух лазерных лучей, один из которых имел кольцевой профиль интенсивности и переносил орбитальный момент. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
За способность взаимодействовать с электрическим полем отвечает главным образом электрический заряд. У него нет магнитного аналога, хотя физики его активно ищут. Вместо этого мерой способности создавать и воспринимать магнитное поле стал магнитный момент. В классической электродинамике магнитным моментом обладает любой замкнутый контур с током. В квантовой механике магнитными моментами могут обладать отдельные атомы, а мера их взаимодействия с магнитным полем определяется сложным балансом между спиновыми и орбитальными квантовыми числами.
То, как взаимодействуют друг с другом магнитные моменты атомов, определяет возможные формы магнитного порядка в веществе, самым сильным из которых стал ферромагнетизм. Физики активно ищут различные способы управления магнитными свойствами сред с возможностью воздействовать на намагниченность локально. Свет был бы отличным инструментом для этого, но его магнитное воздействие на несколько порядков уступает электрическому. Ученые научились использовать лазер косвенно, чтобы влиять на магнетизм материалов, например, нагревая образец или вызывая локальные зарядовые токи. Однако интерес представляют манипуляции на нанометровом масштабе, чего указанные методы не позволяют
Чтобы добиться такого контроля, Йонас Вэтцель (Jonas Wätzel) из Галле-Виттенбергского университета имени Мартина Лютера вместе со своими коллегами из пяти стран применили оптическую технику, похожую на микроскопию на основе истощенного основного состояния, которая позволяет получать изображения с субволновым разрешением. Использовав закрученный свет, авторы навели долгоживущую намагниченность в ансамбле атомов, переведя их в ридберговские состояния.
В качестве среды ученые выбрали газообразный гелий, который они распыляли в камере. В середину облака перпендикулярно струе физики фокусировали два соосных луча. Первый луч, принадлежавший диапазону экстремального ультрафиолета, возбуждал атомы, попавшие в пятно фокуса, в состояние 1s3p. Второй луч был инфракрасным и обладал двумя особенностями. Во-первых, он был закрученным, то есть переносил орбитальный момент, во-вторых, его интенсивность имела провал на оси.
Длина волны второго луча была настроена таким образом, чтобы переводить возбужденные атомы гелия в высоколежащие ридберговские состояния с большим орбитальным моментом. Особое сочетание профилей интенсивности обоих лазеров приводило к тому, что оба типа возбуждения одновременно происходили преимущественно в кольце вокруг оси толщиной несколько сотен нанометров. Разреженность газа и устойчивость ридберговских состояний обеспечили стабильность наведенной светом намагниченности на масштабах наносекунд.
Интенсивность инфракрасного (красный) и экстремально-ультрафиолетового (фиолетовый) лучей в зависимости от расстояния до оси. В положении 2 и 3 достигается наибольшая намагниченность.
Чтобы доказать наличие намагниченности, физики измеряли спектр фотоэлектронов, неизбежно рождающихся при фотоионизации газа. Если магнитные моменты большого числа атомов выстроены вдоль одного из направлений, то спектр фотоэлектронов должен обладать дихроизмом, то есть чувствительностью к направлению полного орбитального момента инфракрасных фотонов. Измеренные в эксперименте спектры по большей части совпали с теоретическими предсказаниями и подтвердили намагниченность. Некоторые отличия авторы объяснили недипольными взаимодействиями.
Зависимость дифференциального сечения рассеяния фотоэлектронов в первой боковой полосе от угла для (a) незакрученного и (b) закрученного света. В обоих случаях наблюдается дихроизм как теоретически (сплошные линии), так и экспериментально (крестики).
Физики использовали атомы гелия из-за простоты их моделирования и экспериментальной работы с ними. Однако тот же самый эффект можно увидеть на любых других атомах, которые способны поддерживать ридберговские состояния. Если осадить такие атомы на магнитоактивные поверхности, предложенный авторами метод позволит изучать их пространственно-временной отклик.
Ранее мы рассказывали, как физикам удалось превратить скрученный бислой из дихалькогенидов переходных металлов в ферромагнетик, облучая его лазерным светом
0 
