Магнитный момент является фундаментальной характеристикой элементарных частиц, атомов и молекул, определяющей их взаимодействие с внешними и внутренними магнитными полями. В аттосекундной физике, где изучаются процессы на временных масштабах порядка 10−18 секунд, динамика магнитных моментов приобретает особую значимость, так как именно в этих масштабах проявляются тонкие релятивистские, спиновые и корреляционные эффекты.
В основе анализа лежит рассмотрение взаимодействия спина электрона, его орбитального момента и результирующего магнитного момента с внешними полями. Учет этих величин необходим для описания таких процессов, как аттосекундная ионизация, туннельные переходы, генерация высших гармоник и динамика спиновых токов.
Магнитный момент электрона складывается из двух компонентов:
$$ \mu_L = -\frac{e}{2m_e} L, $$
где L — орбитальный угловой момент.
$$ \mu_S = -g_s \frac{e}{2m_e} S, $$
где S — оператор спина, а gs ≈ 2.0023 — гиромагнитный фактор электрона.
В условиях сильных лазерных полей и ультракоротких импульсов орбитальный и спиновый вклады могут динамически перераспределяться. Это приводит к возникновению прецессии магнитного момента и, как следствие, к быстрому изменению характеристик электронных состояний.
На аттосекундных временах существенным становится учет спин-орбитального взаимодействия, обусловленного взаимодействием собственного магнитного момента электрона с магнитным полем, возникающим в его собственной системе отсчета из-за движения вокруг ядра. Эффективный гамильтониан такого взаимодействия можно записать в виде
HSO = ξ(r) L ⋅ S,
где ξ(r) — радиальная функция, зависящая от потенциала ядра.
В условиях сильного лазерного поля величина и направление L и S могут изменяться с аттосекундным разрешением. Это ведет к быстрым осцилляциям спиновых состояний и может приводить к расщеплению энергетических уровней, наблюдаемому в спектрах излучения при генерации высших гармоник.
Когда атом или молекула помещаются в сверхсильное электрическое поле фемто- и аттосекундного импульса, магнитные моменты электронов начинают испытывать сложную динамику:
$$ \omega_L = \frac{eB}{2m_e}. $$
Неадиабатическое переключение состояний: в условиях резкого изменения полей спиновое состояние может переходить в суперпозицию собственных базисных состояний, формируя временные когерентные спиновые осцилляции.
Индуцированные магнитные поля лазерного импульса: при взаимодействии с интенсивным световым полем возникает эффективное магнитное поле, которое влияет на спин-динамику электронов.
Таким образом, магнитный момент в аттосекундных процессах нельзя рассматривать как статичную величину — он постоянно меняется, следуя за динамикой квантовой системы.
Особый интерес представляет исследование молекулярных магнитных моментов, которые определяются не только спинами и орбитальными моментами отдельных электронов, но и коллективными эффектами. В условиях аттосекундного воздействия наблюдаются:
Эти явления особенно важны для понимания процессов в спинтронике и фемтомагнетизме, где управление магнитными состояниями осуществляется с субфемтосекундным разрешением.
На аттосекундных временах необходимо учитывать релятивистские поправки к магнитным моментам:
Современные аттосекундные эксперименты предоставляют уникальные средства для прямого исследования магнитной динамики:
Эти методы позволяют не только наблюдать за динамикой магнитных моментов, но и управлять ими, что открывает перспективы для новых технологий ультрабыстрой спиновой электроники и оптического управления магнитными состояниями.