消失的角动量，去哪了？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：University of Konstanz

一、快速消失的磁性  

镍和铁一样，是一种常见的铁磁性材料。一般来说，当一种材料中的每个电子的内禀角动量（或自旋）与相邻电子的内禀角动量平行时，这种材料就是磁性的。磁现象对现代技术来说是不可或缺的一部分，无论是在信息处理方面，还是在数据存储方面，它们都扮演着至关重要的角色。

然而，现有科技的速度和效率往往都受限于持续时间相对较长的磁性开关过程。因此一直以来，一种在镍中观察到的现象备受关注。那就是在20多年前，物理学家发现当镍受到短而强烈的激光脉冲轰击时，会在飞秒（1飞秒=10⁻¹⁵秒）之间就被消磁，迅速失去其磁有序。如此一来，材料中的电子的角动量也会因此突然下降。

这样的超快速退磁现象，引发了物理学家们对角动量变化的困惑。因为根据守恒原理，在一个封闭系统中，所有角动量的总和保持不变。也就是说，材料中的所有角动量的总和必须守恒，因此角动量不应该就这样平白无故地消失了，它必须以某种形式转移到了其他地方。那么在这么短的时间内，电子的角动量转移去了哪里呢？

现在，一篇发表在《自然》杂志上的研究揭开了这个长期存在的谜题的答案。他们发现，是镍晶格的振动模式带走了很大一部分消失的角动量。

二、实验与模拟的结合  

最初，科学家是在镍材料中发现在光的作用下会出现迅速退磁现象的，但这种效应其实存在于所有磁性金属中。为了揭示导致这种效应的物理原理，科学家进行了许多实验研究。然而，过去的研究大多使用的是只能够灵敏探测电子自旋的技术，这使得科学家虽然能够证实系统损失了角动量，却不能精确地描述这部分角动量的去向。

科学家需要的是一种可以在极短的时间尺度上，直接追踪晶体晶格中角动量的流动的技术。为了克服这个问题，在新研究中，研究团队中的实验物理学家利用一种被称为超快电子衍射的技术，研究了镍晶体的退磁。超快电子衍射是一种在时间和空间上进行高精确度的测量，帮助科学家看到原子级的结构变化过程的方法。除了设计实验之外，研究人员还使用计算机模拟，预测了一系列在超快速退磁中可能出现的原子运动过程。

在实验中，研究人员先将镍晶体向一个特定方向磁化，然后将其暴露在100飞秒的激光脉冲中，引发超快速的退磁。同时，他们利用超快电子衍射对晶体进行观察，以原子级的空间精度和飞秒范围内的时间分辨率来获取与材料结构有关的时间变化信息。他们发现，由此产生的衍射图样的顺序，可以用理论学家在计算机模拟中所做出的预测来解释。

三、偏振的声子  

实验和模拟结果表明，在退磁过程中，晶体中的电子会在几百飞秒的时间内将角动量转移到晶格中的原子上。起初，一些原子会开始在其原来静止的位置周围沿圆形轨道运动。通过与相邻原子的相互作用，这种运动以及角动量会很快地转移到所有其他原子上。最后，整个晶格都会在微小的圆形轨道上均匀振荡。

物理学家通常把这种集体性的晶格振动称为“声子”。这些声子在一个垂直于初始磁化的平面上振荡，出现在光击中晶体的1皮秒（1皮秒=10⁻¹²秒）之内。在某种程度上，声子之于声波就像光子之于光波一样。在新研究中，研究人员观察到这些声子是圆偏振的，所以携带角动量。

在超快速退磁过程中，磁矩的旋转导致原子立即旋转运动。| 图片来源：Hannah Lange, Andreas Donges and Ulrich Nowak, University of Konstanz

这些结果有力地说明，在退磁过程中，损失的自旋角动量在大小和方向上与涌现的声子的角动量相等。在新的论文中，研究人员总结道：是声子迅速吸收了电子的角动量，导致整个样本会在稍后的阶段发生旋转。

在光的作用下发生超快速的退磁效应可以在用激光控制磁性材料方面发挥作用，并有潜力创造出比传统电子产品更高效的替代品。现在，通过证明晶格振动可以传输自旋，研究人员为我们展示了一种新的控制角动量的方法，为改进磁信息技术开辟了新的可能，也为自旋电子学的新设备开辟了一条新的具有前景的道路。

参考来源：

https://campus.uni-konstanz.de/en/science/the-puzzle-of-the-lost-angular-momentum

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00189-1

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨