Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
Magneten schakelen met de snelheid van licht
76
V
θ= V B l
de waargenomen spectroscopische opsplitsingen,
maar lang niet alle, wat aanleiding gaf tot het begrip
΄anomaal Zeeman-effect΄. Door het invoeren van
een vierde quantumgetal, de spin, kon dit probleem
worden opgelost en vielen vele stukjes van de puzzel
uit de zich toen net ontwikkelende quantummechanica
op hun plaats. De spin van een elektron
heeft twee mogelijke toestanden: spin up en spin
down, welke klassiek gezien corresponderen met
het linksom of rechtsom draaien van het elektron
om zijn as (maar bedenk, dit is slechts een klassiek
en geen letterlijk beeld). In een materiaal geeft de
interactie tussen de spins van de buitenste elektronen
aanleiding tot magnetische ordening. Deze
ordening kan ferromagnetisch zijn, zoals in ijzer
(de spins ordenen zich parallel, wat leidt tot een
netto magnetisatie) of anti-ferromagnetisch zoals
in chroom (de spins van naburige elektronen zijn
tegengesteld gericht, waardoor er geen netto magnetisatie
overblijft). Er zijn ook nog andere wijzen
van magnetische ordening, zoals in een ferrimagneet,
maar daar kom ik later nog op terug.
Maar statische eigenschappen zijn slechts één aspect:
hoe staat het met de dynamica? Wat gebeurt
er als de geordende spins in een magneet uit hun
evenwicht worden gebracht door een externe verstoring,
bijvoorbeeld een magnetische veldpuls?
Van belang hierbij is je hierbij te realiseren dat de
B
l
θ
Figuur 1
Faraday effect: de draaiing van
de polarisatie is evenredig met
de veldsterkte en de dikte van
het materiaal.
spins onderling sterk gekoppeld zijn en zo’n excitatie
aanleiding geeft tot een collectieve response:
spingolven of magnonen. Traditioneel werden deze
excitaties bestudeerd met behulp van ferromagnetische
resonantie: het magnetisch materiaal wordt
bestraald met de juiste (GHz) straling, waarbij of het
veld of de frequentie wordt gevarieerd tot er een
resonantie optreedt. Het gebruikte GHz gebied correspondeert
met de typische energieschaal van enkele
milli-elektronvolt voor magnonen.
Door nu als lichtbron een gepulste laser te gebruiken
kan men deze excitaties ook in het tijdsdomein
bestuderen. Dit doen we door een soort van stroboscopische
opname van de bewegende spins te
maken met behulp van een zogenaamd pomp-probe
experiment. Hierbij wordt een laserpuls in tweeën
gesplitst, waarbij een deel met zo’n 90% van de oorspronkelijke
intensiteit gebruikt wordt om het te
bestuderen medium te exciteren (de pomp), waarna
de response van het medium na een bepaalde tijd
gemeten wordt via de veel zwakkere probe pulse die
in de tijd is vertraagd (dus iets later aankomt). Deze
tijdsvertraging wordt bereikt via een ΄delay line΄: de
puls wordt via een verplaatsbare spiegel omgeleid.
De hoge waarde van de lichtsnelheid zorgt ervoor
dat een omweg van slechts een micrometer correspondeert
met een tijdsvertraging van ongeveer drie
femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste
deel van een miljardste seconde), een bijna over