Attosecond magnetization dynamics in non-magnetic materials driven by intense femtosecond lasers

阿秒 飞秒 磁化 磁化动力学 物理 激光器 自旋(空气动力学) 凝聚态物理 超短脉冲 磁场 原子物理学 光学 量子力学 热力学
作者
Ofer Neufeld,Nicolas Tancogne-Dejean,Umberto De Giovannini,Hannes Hübener,Ángel Rubio
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1) 被引量:30
标识
DOI:10.1038/s41524-023-00997-7
摘要

Irradiating solids with ultrashort laser pulses is known to initiate femtosecond timescale magnetization dynamics. However, sub-femtosecond spin dynamics have not yet been observed or predicted. Here, we explore ultrafast light-driven spin dynamics in a highly non-resonant strong-field regime. Through state-of-the-art ab-initio calculations, we predict that a non-magnetic material can be transiently transformed into a magnetic one via dynamical extremely nonlinear spin-flipping processes, which occur on attosecond timescales and are mediated by a combination of multi-photon and spin-orbit interactions. These are non-perturbative non-resonant analogues to the inverse Faraday effect that build up from cycle-to-cycle as electrons gain angular momentum. Remarkably, we show that even for linearly polarized driving, where one does not intuitively expect any magnetic response, the magnetization transiently oscillates as the system interacts with light. This oscillating response is enabled by transverse anomalous light-driven currents in the solid, and typically occurs on timescales of ~500 attoseconds. We further demonstrate that the speed of magnetization can be controlled by tuning the laser wavelength and intensity. An experimental set-up capable of measuring these dynamics through pump-probe transient absorption spectroscopy is outlined and simulated. Our results pave the way for new regimes of ultrafast manipulation of magnetism.

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