Heusler半金屬是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的合金，它們由三種不同的元素組成，例如Co2MnGa。這種材料的特點是，它的導帶中只有一種自旋方向的電子，而價帶中有兩種自旋方向的電子。這意味著，這種材料在室溫下是鐵磁的，但是在電場或磁場的作用下，它可以變成半導體或金屬。這種自旋極化的特性使得Heusler半金屬在自旋電子學中具有潛在的應用價值。

但是，要利用Heusler半金屬的自旋極化，我們需要能夠在極短的時間內(nèi)改變它的自旋態(tài)。這就是光激發(fā)的作用當我們用一束超快的激光脈沖照射Heusler半金屬時，我們可以在幾百飛秒的時間內(nèi)激發(fā)出復雜的自旋動力學。這些自旋動力學包括三種主要的過程：自旋翻轉(zhuǎn)、同位自旋轉(zhuǎn)移和跨位自旋轉(zhuǎn)移。

自旋翻轉(zhuǎn)：這是指電子的自旋方向由于自旋軌道耦合而改變。自旋軌道耦合是指電子的自旋和軌道運動之間的相互作用，它可以使電子的自旋和軌道角動量之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。當電子受到激光脈沖的激發(fā)時，它的能量和動量會發(fā)生變化，從而導致自旋軌道耦合的強度也發(fā)生變化。這就可能使電子的自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而改變材料的磁化強度。

同位自旋轉(zhuǎn)移：這是指同一種元素的不同原子之間的自旋交換。例如，在Co2MnGa中，有兩種不同的Co原子，分別位于不同的晶格位置。當激光脈沖激發(fā)了其中一種Co原子的電子時，它的自旋可能會通過交換作用傳遞給另一種Co原子的電子，從而導致兩種Co原子的磁矩發(fā)生變化。

跨位自旋轉(zhuǎn)移：這是指不同種類的元素之間的自旋交換。例如，在Co2MnGa中，Co原子和Mn原子之間存在著強烈的自旋耦合，使得它們的磁矩保持平行。當激光脈沖激發(fā)了Co原子的電子時，它的自旋可能會通過交換作用傳遞給Mn原子的電子，從而導致Co原子和Mn原子的磁矩發(fā)生反向。

這三種過程都會在激光脈沖的作用下發(fā)生，但是它們的相對強度和時間尺度是不同的。要區(qū)分這三種過程，我們需要一種能夠探測不同元素和不同自旋方向的電子的方法。這就是極紫外高次諧波探測的作用。

極紫外高次諧波是一種由激光脈沖與氣體分子相互作用產(chǎn)生的短波長的電磁輻射，它可以用來探測材料中的電子和自旋態(tài)。極紫外高次諧波的優(yōu)點是，它可以在極短的時間內(nèi)對材料進行元素特異性的測量，即只測量某一種元素的電子。這是因為極紫外高次諧波的能量可以匹配材料中的某一種元素的吸收邊緣，即該元素的電子從內(nèi)層躍遷到外層所需的能量。當極紫外高次諧波的能量與某一種元素的吸收邊緣相匹配時，它就可以激發(fā)該元素的電子，從而產(chǎn)生一個特征的信號。這個信號可以反映該元素的電子和自旋的變化，從而揭示材料中的自旋動力學。

最近發(fā)表的一篇論文就利用了這種方法，對Co2MnGa中的Co和Mn兩種元素的自旋動力學進行了測量。他們使用了一束波長為800 nm，持續(xù)時間為30 fs的激光脈沖作為泵浦光源，激發(fā)了Co2MnGa中的電子和自旋。然后，他們使用了一束波長范圍為20-72 nm，持續(xù)時間為20 fs的極紫外高次諧波作為探測光源，測量了Co和Mn兩種元素的M邊緣（即3p到3d的躍遷）的吸收變化。這些吸收變化可以反映Co和Mn兩種元素的磁化強度的變化，從而揭示了自旋動力學的過程。

他們的實驗結(jié)果顯示，激光脈沖可以在極短的時間內(nèi)控制Heusler半金屬中的自旋動力學，包括自旋翻轉(zhuǎn)、跨位自旋轉(zhuǎn)移和同位自旋轉(zhuǎn)移。這些過程的相對強度和時間尺度取決于激光脈沖的參數(shù)和探測光的能量。這種光控制自旋的方法為自旋電子學提供了一種新的可能性，可以在未來實現(xiàn)更快、更節(jié)能的信息存儲和處理。