Som ordet antyder är det en effekt som kopplar den magnetiska ordningen av ett material (nord/syd orientering av en magnet) till dess elasticitet, dvs materialets förmåga att ändra sin volym när det utsätts för tryck eller spänning. Denna förmåga beror på materialets elektriska egenskaper, eftersom den beror på att elektronerna limmar ihop atomer. Därför binder den magnetoelastiska effekten ihop de magnetiska och de elektriska krafterna i materia. Dess detaljerade mikroskopiska beskrivning är mycket komplex eftersom man måste gå utöver många av de approximationer som vanligtvis används inom den kondenserade materiens fysik.

Två oväntade konsekvenser av magnetoelasticitet
I två artiklar som publicerades efter varandra i Physical Review Letters [1,2] har vi kunnat mäta två oväntade konsekvenser av magnetoelasticitet i två ganska olika material, vilket underlättade vår förståelse av fenomenet. I båda fallen gjordes de centrala experimenten på Fysikum vid Stockholms universitet i samarbete med forskare från dessa institutioner: University of Konstanz, TU Dortmund, Tokyo Institute of Technology, Mainz University, CNRS Thales, Ca’ Foscari University of Venice.
 

Infraröd laserpuls gav två svängningar med olika frekvenser
I den första artikeln undersökte vi den arketypiska antiferromagnetiska nickeloxiden, NiO. Med en noggrant inställd infraröd laserpuls som varade några tiotals femtosekunder, resonant med en elektronisk övergång i materialet, ville vi utlösa excitationen av en koherent svängning av den magnetiska ordningen.

Vi lyckades, men till vår stora förvåning mätte vi inte en, utan två svängningar, med två väldigt olika frekvenser, och vi noterade att de två svängningarna interagerade - "pratade" med varandra. Lärobokens fysik skulle säga att detta är teoretiskt omöjligt. (För de som har studerat kvantmekanik beror det på att det är två ortogonala tillstånd i den relevanta Hamiltonianen.)

Vi kunde förstå att detta är möjligt om man i den teoretiska beskrivningen inkluderar både en ickelinjär regim av dynamiken och den magnetoelastiska effekten. Magnetoelasticitet gör att de två svängningarna kan interagera genom en så kallad domänvägg, som separerar områden i provet med olika magnetisk ordning. Figuren visar denna idé schematiskt.

Magnetoelastisk effekt ökade oscillationernas frekvens
I den andra artikeln tittade vi på en ultratunn magnetisk film (några nanometer tjock) av ett ferrimagnetiskt material som kallas yttrium järn-granat (YIG) som dopades med vismut. Detta material användes för några decennier sedan i magnetooptiska skivor, men det har fått förnyat intresse eftersom vi kan nu skapa det i en ultratunn form. Vi använde femtosekundlaserpulser för att utlösa och observera magnetiseringsdynamiken, återigen mätt i form av en oscillation av den magnetiska ordningen. Ingen hade gjort det på detta material tidigare, och vi ville försöka studera detaljerna i dynamiken. Till vår stora förvåning började oscillationernas frekvens öka när vi ökade laserpulsernas intensitet - i stället för att minska som förväntat enligt läroboksfysiken. Vi kunde förklara detta experimentella bevis genom att inse att ljuspulserna inducerar ett mekaniskt tryck i filmen och att elastisk, elektrisk energi transformeras i magnetisk energi via den magnetoelastiska effekten.

Varför är dessa studier relevanta för fysik och för samhället?
En av de stora utmaningarna för den kondenserade materiens fysik under de senaste decennierna har varit kontrollen av magnetism. Den gör det möjligt att lagra information utan energikostnad med hjälp av elektriska fält vilket kan minimera kostnaden.

Numera skrivs de logiska bitarna "1" och "0" genom att vända orienteringen (nord/sydpoler) för små magneter genom att applicera magnetfält som inte är elektriska. Varför är detta ett problem? Eftersom magnetfält inte kan fokuseras ordentligt (på grund av deras nolldivergens) krävs mycket energi för att göra så att de kan vända orienteringen av de små magneterna.
Om magnetiseringsorienteringen å andra sidan skulle kunna styras genom modifiering av den elektroniska bandstrukturen kan energiförlusten reduceras kraftigt.

Dessutom kan den elektroniska strukturen svara på elektriska fält med en hastighet som är flera gånger snabbare än det magnetiska svaret, under realistiska magnetfält. Detta skulle göra det möjligt att realisera en digital lagring som är både snabbare och mer energieffektiv. Detta kräver naturligtvis att vi bättre förstår den grundläggande fysiken som skulle tillåta en sådan teknik.

Elektriska krafter påverkar den magnetiska ordningen
Våra studier av två ganska olika magnetiska system fördjupar vår förståelse för hur elektriska krafter påverkar den magnetiska ordningen och dess dynamik, i form av tryck som förvränger atomorbitalerna. De är också exempel på de kontraintuitiva och fascinerande fenomen som kan uppstå när naturen observeras i ickelinjära regimer som inte är i jämvikt och som kan uppnås med ultrasnabba laserpulser.

— Stefano Bonetti
[1] D. Bossini, M. Pancaldi, L. Soumah, M. Basini, F. Mertens, M. Cinchetti, O. Gomonay, and S. Bonetti,
Ultrafast Amplification and Nonlinear Magnetoelastic Coupling of Coherent Magnon Modes in an
Antiferromagnet, Physical Review Letters 127, 077202 (2021)
[2] L. Soumah, D. Bossini, A. Anane, S. Bonetti, Optical Frequency Up-Conversion of the Ferromagnetic
Resonance in an Ultrathin Garnet Mediated by Magnetoelastic Coupling, Physical Review Letters 127,
077203 (2021)