科学家们揭示了晶格振动和自旋如何在称为电磁子的混合激发中相互交流。为了实现这一目标，他们在 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 上使用了独特的实验组合。在原子水平上理解这一基本过程为用光超快控制磁性打开了大门。

在固体的原子晶格内，粒子及其各种属性以波状运动(称为集体激发)配合。当晶格中的原子一起晃动时，集体激发被称为声子。同样，当原子自旋(原子的磁化)一起移动时，它被称为磁振子。

情况变得更加复杂。其中一些集体激励在所谓的混合激励中相互交流。一种这样的混合激励是电磁振子。与传统磁振子相比，电磁子因其能够利用光电场激发原子自旋而得名：这对于许多技术应用来说是一个令人兴奋的前景。然而，它们在原子水平上的秘密生活尚不清楚。

人们怀疑，在电磁子作用过程中，晶格中的原子会摆动，自旋会在基本上由声子和磁子组合而成的激发中摆动。然而，自从 2006 年首次提出以来，只有自旋运动被测量过。晶格内的原子如何移动——如果它们真的移动的话——仍然是一个谜。对这两个组件如何相互通信的理解也同样如此。

现在，在瑞士 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 进行的一系列复杂实验中，PSI 的研究人员将这些缺失的部分添加到了拼图中。“通过更好地了解这些混合激励的工作原理，我们现在可以开始寻找在超快时间尺度上操纵磁性的机会，”领导这项研究的 PSI 显微镜和磁性小组负责人 Urs Staub 解释道。

首先是原子，然后是自旋

在 SwissFEL 的实验中，研究人员使用太赫兹激光脉冲在多铁六方铁氧体晶体中感应出电磁子。然后，他们利用时间分辨 X 射线衍射实验拍摄了原子和自旋如何响应激发而移动的超快快照。通过这一点，他们证明了晶格内的原子确实在电磁子中移动，并且还揭示了能量如何在晶格和自旋之间转移。

他们的研究的一个惊人结果是，原子首先移动，自旋稍后移动。当太赫兹脉冲撞击晶体时，电场推动原子运动，启动电磁子的声子部分。这种运动产生了一个有效的磁场，随后使自旋运动。

“我们的实验表明，激发不会直接移动自旋。此前尚不清楚情况是否会如此，”SwissFEL 的光束线科学家、该出版物的第一作者 Hiroki Ueda 解释道。

更进一步，该团队还可以量化声子分量从太赫兹脉冲获得多少能量以及声子分量通过晶格获得多少能量。“对于未来寻求驱动磁系统的应用来说，这是一条重要的信息，”上田补充道。

一个自由电子激光器，两个光束线，两个晶体模式

他们发现的关键是能够在 SwissFEL 的硬 X 射线束线和软 X 射线光束线上进行互补时间分辨 X 射线衍射实验中测量原子运动和自旋。

研究小组利用伯尼纳实验站的硬 X 射线研究了晶格内原子的运动。最近开发的实验站装置包括专门设计的样品室，可以在极低的温度下在固体中使用太赫兹场进行独特的超快测量。

为了研究自旋运动，研究小组使用了软 X 射线，它对磁系统的变化更敏感。这些实验是在最近进入用户运行的Furka实验站进行的。 通过将 X 射线能量调整到材料中的共振，他们可以专门关注来自自旋的信号——通常被掩盖的信息。

“伯尔尼纳对声子部分的测量是向前迈出的一大步。能够利用 Furka 来获取磁运动是一种实验可能性，世界上几乎没有其他地方存在，”Staub 评论道。

基本原理对于我们理解其他物理过程很重要

Ueda、Staub 及其同事提供了对电磁子微观起源的理解。这种理解不仅对于这个物理过程很重要，而且在更普遍的意义上也很重要。

晶格和自旋之间的基本相互作用支撑着许多物理效应，这些物理效应产生了不寻常且可能非常有用的材料特性：例如高温超导性。只有更好地理解这种影响才能得到控制。