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

More documents

Recommendations

Info

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
dreven goede tijdsresolutie in vergelijking met de intrinsieke tijdschaal van de magnetisatie dynamica die in de orde van nanoseconden is. Het eerste experiment waarbij een magneet werd bestudeerd met een femtoseconde laser leidde dan ook tot een grote verrassing: de excitatie van een ferromagnetische nikkelfilm liet een verandering (in dit geval verdwijning) van de magnetisatie zien binnen het tijdsbestek van slechts een picoseconde! 4 (Noot: de volledigheid gebiedt hier te zeggen dat de allereerste tijdsopgeloste experimenten, uitgevoerd met slechts nanoseconde pulsen, een resultaat voor de spin-rooster relaxatietijd van 100 ±100 picoseconden opleverde, in goede overeenstemming met wat men met eerdere niettijdsopgeloste metingen had gevonden). 5 Hierbij moet opgemerkt worden dat in een tijdsopgelost magneto-optisch experiment het probe-signaal meestal uit een Faraday of Kerr effect bestaat: men meet de rotatie van de polarisatie van een lichtbundel in respectievelijk transmissie of reflectie (het Faraday-effect θ = V • B • l, waarbij V de Verdet constante is, B het magneetveld en l de weglengte door het materiaal). In het statische geval is dit signaal inderdaad meestal lineair evenredig met de magnetisatie, bij excitatie met behulp van korte intense femtoseconde pulsen moet men evenwel rekening houden met mogelijke additionele effecten ten- Figuur 2 Ompoling van de magnetisatie binnen 200 picoseconden in een dunne magnetische FeNi-film met behulp van een korte magneetveld puls, gegenereerd door twee parallelle fotogeleidende schakelaars (dichte stippen). Open rondjes laten het effect door een enkele schakelaar zien, waardoor de magnetisatie weer terugkeert naar de oorspronkelijke toestand. Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89 Magneten schakelen met de snelheid van licht gevolge van de sterk uit zijn evenwicht gebrachte elektronenverdeling. 6 In principe is dit echter goed te doen en latere experimenten hebben deze eerste metingen overtuigend bevestigd. De interpretatie van de waargenomen zeer snelle effecten is niet zo ingewikkeld: een korte en intense femtoseconde puls leidt tot een zeer snelle verhitting van de elektronen, tot makkelijk meer dan 1000 graden Kelvin, waardoor de magnetisatie evenzo snel verdwijnt. Dat dit verhitten zo snel gaat ligt aan de combinatie van de kleine warmte capaciteit en het grote warmtegeleidingsvermogen van elektronen. Deze plotselinge verandering in de magnetisatie wordt meestal gevolgd door een oscillatie van het magneto-optische signaal: hier neemt men inderdaad de intrinsieke oscillaties van het magnetisch geordend materiaal waar. De gemeten frequenties kunnen goed worden beschreven door de Landau- Lifshitz vergelijking en liggen typisch in de orde van enkele tientallen GHz, corresponderend met een tijdschaal van zo’n 100 picoseconden. Dit betekent dat in principe de magnetisatie op die tijdschaal omgepoold zou kunnen worden: een optische (k=0) magnonmode correspondeert met een homogene precessie van de magnetisatie. Als je de amplitude groot genoeg maakt kun je op die manier de magnetisatie omdraaien binnen de tijd van een halve precessie periode! Echter, omdat de dempingstijd van een dergelijke precessie in de orde van nano- 77
Page 1:
NATUURKUNDIGE VOORDR ACHTEN 2010 -
Page 4 and 5:
ISBN 978 90-72644-23-7 Drukkerij Vi
Page 7 and 8:
INHOUD Diligentiaprijs voor Scholie
Page 9 and 10:
VERSLAG VAN DE KONINKLIJKE MAATSCHA
Page 11 and 12:
Oprichting in 1793 Het Gezelschap t
Page 13 and 14:
N.Th. Michaelis 1898-1904 Dr. E.H.
Page 15 and 16:
ALFABETISCH REGISTER VAN DE VOORDRA
Page 17 and 18:
Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 19 and 20:
Page 21 and 22:
Page 23 and 24:
Elektriciteitopslag in batterijen m
Page 25 and 26: De vermogensdichtheid van een batte
Page 27 and 28: Figuur 3 Het effect dat vacatures (
Page 29 and 30: Schakelbare spiegels: een samenspel
Page 31 and 32: Applications Beside their purely fu
Page 33 and 34: hydrogen absorption properties of t
Page 35 and 36: Gammaflitsen: extreem nieuws uit de
Page 37 and 38: ster ontstaat. Het directe bewijs v
Page 39 and 40: Figuur 2 Als we voor alle 2704 gamm
Page 41 and 42: gammaflits kan miljarden jaren na h
Page 43 and 44: Genetica en genoomonderzoek naar ve
Page 45 and 46: zingen in de code aanwezig die aang
Page 47 and 48: omdat we beschikken over de gezondh
Page 49 and 50: Microreactortechnologie; de chemisc
Page 51 and 52: matografie, maar is zeer succesvol
Page 53 and 54: Figuur 5 De economische haalbaarhei
Page 55 and 56: Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 57 and 58: qubit can now be described as follo
Page 59 and 60: games not only nicely demonstrates
Page 61: Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 103 and 104: LOFAR: op zoek naar de snelste deel
Page 105 and 106: Figuur 4 Artist impression van het
Page 107: ichting van inval te bepalen. Naarm
Page 124: Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
show all

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

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?