科学家利用太赫兹光脉冲诱导出铁磁态，可改善光控存储和高速计算

2023-05-15 10:43

近日，来自德国、美国的科学团队首次表明，太赫兹（THz）光脉冲可以稳定晶体中的铁磁性，温度是其通常转变温度的三倍多。通过使用太赫兹光脉冲在这种特殊的转变温度下在晶体中诱发铁磁性，这种技术为光控存储器、具有更高速度和效率的计算设备铺平了道路。

正如该团队在《自然》杂志上报道的那样，使用仅数百飞秒长（十亿分之一秒的百万分之一秒）的脉冲，在高温下在稀土钛酸盐YTiO₃中诱导出铁磁态，该态在光照射后仍持续了许多纳秒。在平衡转变温度以下，激光脉冲仍然加强了现有的磁性状态，将磁化强度提高到其理论极限。

使用光来控制固体中的磁性，将是这种技术的一大潜在未来应用：如今，计算机主要依靠电荷的流动来处理信息。此外，数字存储器存储设备利用的是必须切换外部磁场的磁位。这两个方面都限制了当前计算系统的速度和能源效率，而使用光来光学切换内存和计算设备，则可以彻底改变处理速度和效率。

YTiO₃是一种过渡金属氧化物，只有在低于27 K或 –246°C时才会变成铁磁性，其特性类似于冰箱磁铁。在这样的低温下，钛原子上的电子自旋沿特定方向排列。正是这种自旋的集体排序，使材料作为一个整体时具有宏观磁化并使其具有铁磁性。相反，在27 K以上的温度下，单个自旋随机波动，因此不会产生铁磁性。

使用德国汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）开发的强大太赫兹光源，该团队设法在YTiO₃材料中实现了高达近100 K（–193°C）的铁磁性，远高于其正常转变温度。此外，光诱导状态也持续了许多纳秒。强光脉冲旨在以协调的方式“摇动”材料的原子，使电子能够对齐它们的自旋。

调整脉冲频率以驱动YTiO₃晶格的特定振动，称为声子。研究人员们发现，当他们以9 THz的固有频率激发一个特定的声子时，自旋的集体顺序和电子的轨道会被修改，从而导致更强的铁磁态趋势。当驱动其他声子时，我们观察到完全不同的结果：4 THz声子的激发实际上会恶化铁磁性，而17 THz声子的激发会增强铁磁性——但不如9 THz声子那么强烈。

在通常的27 K转变温度以下，9 THz声子激发显著增加了磁化强度，将其提高了约20％并达到了理论最大值——这是迄今为止尚未达到的最高水平。

这些实验中使用的太赫兹源会发出强脉冲，能够激发材料中非常窄的频率区域，使其成为一种极其精确的工具。它已经被部署在其他几项由MPSD领导的关于光增强超导性和磁性的研究中。然而，这项工作首次揭示了通过激发一系列晶格振动，可以产生质量不同的效果。

除了加深科学家对强和超快光与物质相互作用的理解外，这些结果将有助于实现更好的磁性元件光学控制。