当暴露在强激光脉冲下时，材料的磁化能被非常快地控制。从根本上说，磁化与材料中电子的角动量有关。由Max Born非线性光学和短脉冲光谱学研究所(MBI)科学家领导的一个研究小组现在已经能够非常详细地跟踪铁磁体铁钆合金在超快光退磁过程中的角动量流动，以便了解基本过程及其速度限制，研究结果发表在《物理评论快报》上。当铁磁性物体的磁化强度发生变化时，它就开始旋转——这种磁化强度和角动量之间的联系在1915年爱因斯坦和德哈斯的实验中就观察到了。
这种现象的发生是因为在微观层面上，磁化本质上与电子的角动量有关。与当时的爱因斯坦和德哈斯不同，物理学家现在知道，电子围绕原子核的轨道运动和自旋都会产生磁化。事实上，在铁磁性固体中，自旋产生了大部分的磁化。当角动量守恒时，磁化强度的改变必然伴随着系统中其他形式角动量的改变——在爱因斯坦-德哈斯实验中，这是磁悬浮体磁化强度改变后的旋转结果。在微观层面上，原子的相应运动构成了角动量最终贮存器，超短激光脉冲照明是一种使材料快速退磁的方法
对于典型铁磁体铁、钴和镍，例如，在激光脉冲击中材料后，磁化在约1皮秒(10-12秒)内熄灭。研究人员想知道，在很短的时间内，与磁化有关的角动量通过哪些通道传递到其他储层。来自柏林MBI的科学家，以及来自柏林亥姆霍兹中央区和日本Nihon大学的科学家，能够对铁钆合金角动量流进行详细的跟踪研究。在这种铁磁性材料中，相邻铁(Fe)和钆(Gd)原子具有相反方向的磁化。研究人员使用超短x射线脉冲来监测铁原子和Gd原子对圆偏振x射线的吸收，并将其作为之前激光激发后时间的函数。这种方法的独特之处在于，它允许在超快退磁过程中分别跟踪两种类型原子的磁矩。
Gd在开始时没有角动量(L=0)，在激光脉冲在0时刻撞击试样后退磁过程中没有积累。在铁元素中，S和L以相同的速率下降，S和L之间没有重新“洗牌”。图片：MBI Berlin
此外，当分析各自的吸收光谱时，可以区分储存在轨道运动中的角动量和电子自旋中的角动量。通过这个详细的x射线图像，科学家们发现合金中Gd原子的退磁过程明显快于纯Gd。然而，这并不是因为不同类型原子之间角动量的交换，尽管它们是反平行排列的。该研究的第一作者Martin Hennecke说：我们知道Gd的加速反应是由于合金内部电子之间产生的非常高的温度造成。有趣的是，在激光诱导时间分辨率约为100飞秒(10-13秒)的退磁过程中，电子自旋和轨道运动之间的角动量“重组”也没有被探测到——这在所有Fe和Gd原子中都是真实的。
角动量是如何流动的呢？显然，所有角动量都被完全转移到原子晶格上，与最近的理论预测一致，自旋角动量首先通过自旋-轨道相互作用转移到同一原子的轨道运动中，但我们无法看到它在那里积累，因为它是直接向原子晶格移动的。理论预测后一个过程的速度可达飞秒，详细的实验现在证实，最后一个传递步骤确实不是角动量整体流动的瓶颈。考虑到短激光脉冲也可以用来永久地改变磁化强度，从而为磁数据记录写入比特，对这些基本机制动力学的深入了解，对于开发新的方法将数据写入大规模数据存储介质具有重要意义，这种方法的速度要比目前可能的速度快得多。
