MIT 的物理学家利用光首次在一种材料中创造出持久的全新磁性状态。
根据近期发表在Nature上的研究，研究团队使用一种太赫兹激光（振荡频率超过每秒一万亿次的光源）直接激发了反铁磁材料中的原子。通过将激光频率调谐到材料原子之间的自然振动频率，他们成功改变了原子自旋的平衡状态，诱导材料进入了一种新的磁性状态。
这一发现为控制和切换反铁磁材料提供了全新途径。这类材料在信息处理和存储技术中展现出巨大的应用潜力。
在常见的磁性材料中，原子自旋方向一致，因此容易受到外部磁场的影响。然而，反铁磁材料的原子自旋呈交替排列，形成“上-下-上-下”的结构，自旋相互抵消，导致材料整体的净磁化为零，从而不受外部磁场的干扰。
如果能够用反铁磁材料制造存储芯片，数据可以被写入到材料的微观磁域中。例如，某种特定的自旋配置（如“上-下”）可表示比特“0”，而另一种配置（如“下-上”）则表示比特“1”。这种芯片的数据存储具有极强的抗磁干扰能力。
因此，反铁磁材料被认为是现有磁性存储技术的理想替代品。然而，如何可靠地控制这些材料并切换其磁性状态仍然是一个重大挑战。
“反铁磁材料非常稳定，不会受到外部磁场的影响。”MIT 物理学教授 Nuh Gedik 解释道，“但这种稳定性也让它们难以被控制，因为它们对弱磁场并不敏感。”
通过精确调节的太赫兹光，研究团队实现了对反铁磁材料的可控切换，使其进入新的磁性状态。这一成果或将推动未来开发存储更多数据、能耗更低且更紧凑的芯片，得益于反铁磁体的磁域稳定性。
“传统上，这类反铁磁材料极难调控。”Gedik 补充道，“但现在我们有了可以精准控制它们的新方法。”
这项研究由 Gedik 教授领衔，团队成员包括来自 MIT 的 Batyr Ilyas、Tianchuang Luo、Alexander von Hoegen、Zhuquan Zhang 和 Keith Nelson，以及来自德国马普结构与动力学研究所、西班牙巴斯克大学、韩国首尔国立大学和纽约 Flatiron 研究所的合作者。
打破平衡
由 Gedik 教授领导的团队一直专注于开发操控量子材料的新方法。这些材料因其原子之间的复杂相互作用，常展现出奇异的物理特性。
“通常情况下，我们会利用光来激发材料，以研究其内在结构和特性。”Gedik 解释道，“例如，为什么一种材料会呈现反铁磁特性？是否可以通过微扰其内部相互作用，将它变成铁磁体？”
在最新研究中，团队选择了 FePS₃ 作为研究对象。这种材料在接近 118 K（-155℃）的临界温度下会进入反铁磁相。
研究人员推测，如果能够调整该材料中的原子振动，或许可以控制其磁性相变过程。
“在固体材料中，你可以将原子想象成一个个规则排列的小球，它们通过‘弹簧’彼此连接。”团队成员 Alexander von Hoegen 解释，“如果你拉动一个原子，它会以某种特定频率振动，而这个频率通常位于太赫兹范围。”
这些原子的振动方式与自旋的相互作用密不可分。研究团队设想，如果使用与原子集体振动频率（即声子频率）相匹配的太赫兹光源来激发材料，不仅可以引发原子的振动，还可能打破其自旋排列的精妙平衡。当这种平衡被打破时，某一方向的自旋可能会变得更强，形成优先方向，使材料进入一种全新的、具有有限磁化的状态。
“这种方法一举两得：既能激发原子的太赫兹振动，又能让振动与自旋耦合。”Gedik 总结道。
振动并写入全新磁性状态
为了验证理论，研究团队使用了由首尔国立大学合作者合成的 FePS₃ 样品。实验中，他们将样品放置在真空腔内，并冷却至 118 开尔文及以下的温度。随后，利用近红外光束照射有机晶体，生成太赫兹脉冲。这些晶体可以将光转换为太赫兹频率，进而将太赫兹脉冲引导至样品。
“我们利用太赫兹脉冲改变样品的状态。”团队成员 Tianchuang Luo 说道，“这相当于在样品中‘写入’了一种新的磁性状态。”
为了验证这种状态变化是否成功，研究团队向样品投射了两束具有相反圆偏振的近红外激光。如果太赫兹脉冲未引发变化，两束激光透射后的强度差异应为零。然而，实验中观察到的强度差异，正是材料从反铁磁状态转变为新磁性状态的直接证据。
“只要出现这种差异，就证明我们通过太赫兹脉冲振动原子，成功诱导了材料进入一种全新的磁性状态。”Batyr Ilyas 解释道。
在实验中，研究团队多次观察到，太赫兹脉冲能够稳定地将反铁磁材料切换到新的磁性状态。这种转变的持续时间远超预期：即使激光关闭后，状态仍然能够维持数毫秒之久。
“以往的研究也曾在其他系统中观察到光诱导的相变，但这些相变通常非常短暂，仅持续皮秒级（万亿分之一秒），”Gedik 补充道。
数毫秒的时间窗口为科学家提供了研究这一暂时新状态特性的宝贵机会。在材料恢复至原始反铁磁性之前，科学家可以进一步探究如何优化这一状态的调控手段，找到更多可以精细调整反铁磁材料的“旋钮”，为下一代存储技术的发展奠定基础。
这项研究得到了美国能源部材料科学与工程基础能源科学办公室以及 Gordon and Betty Moore 基金会的部分资助支持。
https://news.mit.edu/2024/physicists-magnetize-material-using-light-1218
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