来自马克斯普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）和麻省理工学院的科学家们取得了一项突破性的成就——仅使用光就在一种反铁磁材料中创造了一种稳定且持久的磁态。这一发现可能会为内存芯片技术和信息处理带来重大进步。

通过使用每秒振荡超过万亿次的太赫兹激光，研究人员能够直接激发材料的原子。他们仔细调整了激光的频率，使其与原子的自然振动相匹配，从而引发了原子结构的超快转变，并使材料进入了一种新的磁性状态。他们最近在《自然》杂志上发表的研究结果，凸显了光以创新方式控制磁性的潜力。

磁控技术取得突破

在日常使用的磁铁中，比如你冰箱上的磁铁，其内部的原子磁矩排列方向相同，从而产生了强大的整体磁场。这些材料被称为铁磁体，虽然效果显著，但很容易受到外部磁场的影响。

相比之下，反铁磁体具有不同的结构——它们的原子自旋呈上下交替排列，相互抵消，因此不表现出整体磁性。这使得它们对外界磁干扰具有极高的抵抗力，从而可用于构建更稳定和抗干扰的内存芯片。然而，一个主要挑战在于找到一种可靠的方法来切换它们的磁态，以使它们适用于实际应用。

在近期发表于《自然》期刊的一项研究中，马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所和麻省理工学院的研究人员使用太赫兹光来控制并切换反铁磁体进入一种新的磁态。这一突破表明了反铁磁材料在未来存储芯片方面的潜力，这种芯片能够存储和处理更多数据，同时减少能耗并节省空间。

“通常，这种反铁磁材料不易控制，但现在我们已找到一些旋钮来调整和微调它们，”共同领导这项研究的MPSD 理论部主任安赫尔·鲁比奥和麻省理工学院唐纳物理学教授努赫·盖迪克说道。

用光调节磁态

研究团队以FePS3为实验材料，该材料在约118开尔文（-115℃）时会转变为反铁磁相。他们假设可以通过调节其原子振动（即声子）来控制其磁态。盖迪克团队的博士后研究员亚历山大·冯·霍根解释道：“你可以把任何固体想象成一组由微小弹簧连接的周期性排列的原子。‘拉动’一个原子，它就会以特定频率振动，通常在太赫兹范围内。”

研究团队推断，通过用调至声子自然频率的太赫兹激光激发这些声子，他们可以使原子自旋偏离完全平衡的排列。这种不平衡会产生一种优先取向，使材料转变为具有有限磁化强度的新状态。

鲁比奥团队中的博士后研究员埃米尔·维尼亚斯·博斯特罗姆说：“其原理在于激发原子的太赫兹振动，这也与自旋相关。”

“看到材料的光学性质发生变化，就表明它已不再是原来的反铁磁体，而我们基本上是通过使用太赫兹光振动原子来诱导其产生新的磁态，”盖迪克小组的研究生巴蒂尔·伊利亚斯补充道。

新磁态的长寿命

反复实验表明，太赫兹脉冲可以成功地将反铁磁体切换至这种新的磁性状态。在关闭激光器后，这种状态仍持续了几毫秒。为了理解这种长寿命磁化的机制，研究人员开发了一个描述自旋和声子之间相互作用的模型。他们确定了一种特定的声子模式——即晶体晶格内的振荡模式——该模式在材料的反铁磁态和铁磁态之间起到了耦合中介的作用。

鲁比奥说：“这是一种极不寻常的情况，即磁波动的变化会产生一种新的磁序。通常，波动会破坏磁序，但在这里它们起到了建设性的作用。”

模拟结果表明，在接近转变温度时，感应磁化的寿命由反铁磁序的缓慢动力学决定，该现象被称为临界减缓。“接近有序温度时，反铁磁体内部的时间就像变慢了一样，自旋开始变得非常缓慢，”维尼亚斯·博斯特罗姆说道。声子起到“胶水”的作用，将磁化与反铁磁涨落耦合在一起，减缓磁化的弛豫。

这种延长的寿命为科学家提供了一个研究暂态磁性的窗口，在这一磁性状态恢复到反铁磁性之前，科学家都可以对其进行研究。对这些动态的了解可能会为控制反铁磁体并优化反铁磁体在下一代存储技术中的应用开辟新途径。

有关此研究的更多信息，请参见科学家刚用光制造出一种磁性材料。

参考文献：《自然》杂志2024年12月18日刊发，巴蒂尔·伊利亚斯、罗天创、亚历山大·冯·霍根、埃米尔·维纳斯·博斯特伦、张筑全、朴珍娜、金荣勋、朴哲根、基思·A·纳尔逊、安赫尔·鲁比奥和努赫·盖迪克所著文章《FePS3中太赫兹场诱导的近临界亚稳磁化》 数字对象唯一标识符：10.1038/s41586-024-08226-x