物理学家们成功地利用光开发了一种新的耐用的磁态。这一突破为操控和翻转反铁磁材料提供了一种新方法，这些材料在提升信息处理和存储芯片技术方面具有潜力。
麻省理工学院的物理学家成功利用光开发了一种新的耐用的磁态。
在即将发表在自然期刊上的研究论文中，科学家们分享了他们的发现，说明他们是如何利用太赫兹激光——一种每秒振荡超过万亿次的强光源——直接刺激反铁磁材料中的原子。激光的振荡精确匹配材料中原子的自然振动频率，改变了原子自旋的平衡，将其转换为一种新的磁态。
这一发现为操控和切换反铁磁材料提供了一种新方法，反铁磁材料在未来的信息处理和存储芯片创新方面具有潜在优势。
在典型的磁体，即铁磁体中，所有原子自旋朝同一方向排列，使整体磁化能够轻易地响应外部磁场。相反，在反铁磁体中，邻近原子的自旋交替排列——一个朝上，另一个朝下。这种交替排列导致净磁化为零，使反铁磁体对外部磁场影响免疫。
想象一下，用反铁磁材料制作的存储芯片，其中数据可以存储在称为域的小区域内。域内特定的自旋方向配置（如上下形态）可以表示经典比特“0”，而不同的方向（下上形态）则表示“1”。这样的数据存储系统将对外部磁场干扰具有高度抵抗力。
由于这些特性，科学家们认为反铁磁材料可以作为现有磁性存储技术更耐用的替代品。然而，一个主要挑战是控制这些材料，以可靠地在不同的磁态之间转换。
“反铁磁材料具有强韧性，不容易受到杂散磁场的影响，”麻省理工学院的物理学家诺赫·格迪克解释道。“然而，这种韧性也带来了挑战；它们对微弱磁场的敏感性使得控制它们变得困难。”
通过使用精确调谐的太赫兹光，麻省理工学院的团队能够以可控的方式将反铁磁体切换到一种新的磁态。由于其稳定的磁域，反铁磁体可能会被集成到未来的存储芯片中，能够存储和处理更大容量的数据，同时比传统设备消耗更少的能量并占用更小的空间。
“传统上，控制这些反铁磁材料相当复杂，”格迪克指出。“现在，我们有手段更有效地调整和细化它们。”
格迪克领导的研究还得到了麻省理工学院团队成员巴图尔·伊利亚斯、罗天翔、亚历山大·冯·霍根、朱全张和基思·尼尔森的贡献。合作者包括来自德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所、西班牙巴斯克大学、首尔国立大学和纽约平坦铁研究所的研究人员。
失衡
格迪克的团队专注于开发操控量子材料的方法，这些材料的原子相互作用导致独特的现象。
“我们通常用光激发材料，以更好地理解它们的基本性质，”格迪克解释道。“例如，我们正在研究是什么使这种材料成为反铁磁体，以及我们是否能够调整微观相互作用，将其转换为铁磁体。”
在他们最近的研究中，团队考察了 FePS3，该材料在约 118 开尔文（-247 华氏度）时转变为反铁磁相。
研究人员假设通过调谐材料的原子振动，可以控制其转变。
“你可以把固体想象成由不同的原子定期排列而成，中间夹着微小的弹簧，”冯·霍根解释说。“拉动一个原子会使其以独特的频率振动，通常在太赫兹范围内。”
原子振动的方式也与其自旋的相互作用有关。团队推测，通过使用匹配其集体振动频率（称为声子）的太赫兹源刺激原子，他们可以稍微打乱原子自旋的平衡。这将创造一种自旋向一个方向倾斜的情境，从而将材料从非磁化状态转换为具有明确定义的磁化的新磁态。
“我们的目标是同时实现两个目标：激发原子振动，同时影响自旋，”格迪克表示。
震动与书写
为了验证这个概念，团队与首尔国立大学的同事合作，使用提供的 FePS3样本。他们将样本放置在真空室中，并将其冷却到低于 118 K 的临界温度。使用近红外光源，他们通过将其引导通过有机晶体生成了太赫兹脉冲，从而产生了太赫兹频率。之后，他们将这束太赫兹光瞄准样本。
“这个太赫兹脉冲有效地用于诱导样本的变化，”罗解释说。“这类似于在材料中‘书写’一个新状态。”
为了验证脉冲是否引起了材料磁性特性的变化，团队用相反圆偏振的两束近红外激光照射样本。如果太赫兹脉冲没有效果，则透射近红外激光的强度不会发生变化。
“检测到任何差异证实材料不再处于原始反铁磁状态，从而表明通过太赫兹光的作用诱导了新的磁态，”伊利亚斯说。
在多次实验中，团队发现太赫兹脉冲成功地将反铁磁材料转变为一种新的磁态——即使在激光关闭后，该状态仍可持续几毫秒。
“虽然在其他系统中观察到光诱导的相变，但这些通常仅持续非常短的时间，几乎在皮秒（万亿分之一秒）的数量级，”格迪克解释道。
凭借保持这种新状态几毫秒的能力，研究人员现在发现自己拥有一个可用的时间框架，在该时间框架内探索这种临时状态的特性，然后它会恢复到原始的反铁磁状态。这一知识可能会导致优化反铁磁体以适应先进存储解决方案的新方法。
这项研究部分得到了美国能源部材料科学与工程局、基础能源科学办公室和戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。
