Проблемы спиновой и орбитальной динамики, связанные с фемтосекундным оптическим перемагничиванием

Abstract

Анализируются особенности орбитальной и спиновой динамики ферромагнетиков, обусловленные воздействием фемтосекундных лазерных импульсов. Использована модель, в которой предполагается, что за время фемтосекундной оптической накачки успевают измениться только орбитальные моменты электронов. Переориентация спинов происходит после выключения накачки за субнаносекундные времена, характерные для спиновой динамики. Причиной спиновой переориентации является спинорбитальное поле орбитальных моментов, созданных оптической накачкой. Для того чтобы реализовывалось необходимое для спиновой переориентации когерентное состояние неравновесных орбитальных моментов, требуется подавление квантовых флуктуаций орбитальных моментов. Эти флуктуации обусловлены туннельными переходами между вырожденными (по знаку магнитного квантового числа) состояниями орбитальных моментов в кристаллическом поле. Анализируется возможность такого подавления за счет межатомного взаимодействия орбитальных моментов, аналогичного внутриатомному межорбитальному взаимодействию, ответственному за второе правило Хунда.

Аналізуються особливості орбітальної та спінової динаміки феромагнетиків, які обумовлені впливом фемтосекундних лазерних імпульсів. Використовано модель, у якій передбачається, що за час фемтосекундного оптичного накачування встигають змінитися тільки орбітальні моменти електронів. Переорієнтація спінів відбувається після вимикання накачування за субнаносекундні часи, характерні для спінової динаміки. Причиною спінової переорієнтації є спін-орбітальне поле орбітальних моментів, які створені оптичним накачуванням. Для того щоб реалізовувався необхідний для спінової переорієнтації когерентний стан нерівноважних орбітальних моментів, потрібне пригнічення квантових флуктуацій орбітальних моментів. Ці флуктуації обумовлені тунельними переходами між виродженими (за знаком магнітного квантового числа) станами орбітальних моментів у кристалічному полі. Аналізується можливість такого пригнічення за рахунок міжатомної взаємодії орбітальних моментів, аналогічної внутрішньоатомній міжорбітальній взаємодії, яка відповідає за друге правило Хунда.

In this paper we analyze some peculiarities of the orbital and spin dynamics of ferromagnetics caused by femtosecond laser pulses. We assume that during the femtosecond optical pump only orbital momenta of electrons have time to change. The spin switching occurs during a subnanosecond time typical for spin a dynamics after turning off the pump. The reason of the spin switching is the spin-orbital field of the orbital momenta created by the orbital pump. Suppression of quantum fluctuations of the orbital momenta is needed for the realization of the coherent condition of the nonequilibrium orbital momenta that is necessary for the spin switching. These fluctuations are caused by the tunnel transitions between the degenerate states (by sign of the magnetic quantum number) of the orbital momenta in the crystal field. We analyze the possibility of such suppression by the means of the interatomic interaction of the orbital momenta analogous to the intra-atomic interorbital interaction connected with the second Hund rule.