来源:马克斯•普朗克科学促进学会;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 周逸龙 编译
YTiO3中的磁自旋被太赫兹光同步,导致更强和更高温度的铁磁相。来源:Jörg Harms, MPSD
德国和美国的研究人员首次证明,太赫兹(THz)光脉冲可以在超过正常转变温度三倍以上的温度下稳定晶体中的铁磁性。正如研究小组在《自然》杂志上报道的那样,使用数百飞秒长的脉冲(十亿分之一秒),稀土钛酸盐YTiO3在高温下被诱导出铁磁状态,该状态在光照后持续了许多纳秒。在平衡转变温度以下,激光脉冲仍然增强了现有的磁性状态,将磁化强度提高到其理论极限。
利用光来控制固体中的磁性是未来技术的一个很有前途的平台。今天的计算机主要依靠电荷流来处理信息。此外,数字存储设备使用的磁位必须在外部磁场中切换。这两个方面都限制了当前计算系统的速度和能源效率。用光代替光学开关内存和计算设备可能会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27 K或-246°C以下才会变成铁磁性,其性质类似于冰箱磁铁。在这样的低温下,Ti原子上电子的自旋以特定的方向排列。正是这种自旋的集体排序使材料作为一个整体具有宏观磁化强度并使其具有铁磁性。相比之下,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。
利用位于德国汉堡的马克斯•普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)开发的一个强大的太赫兹光源,该团队成功地使YTiO3的铁磁性达到近100K(≅193°C),远高于其正常转变温度。光诱导状态也持续了许多纳秒。强烈的光脉冲被设计成以一种协调的方式“摇动”材料的原子,使电子的自旋对齐。
“脉冲的频率被调谐以驱动YTiO3晶体晶格的特定振动,被称为声子,”第一作者Ankit Disa解释说。“我们发现,当我们以9太赫兹的固有频率激发一个特定的声子时,自旋和电子轨道的集体顺序被修改,导致更强的铁磁状态趋势。当驱动其他声子时,我们观察到完全不同的结果:在4太赫兹激发声子实际上会使铁磁性恶化,而在17太赫兹激发声子则会增强铁磁性,但不如9太赫兹声子那么强。”
在低于27 K的通常转变温度下,9太赫兹声子激发显著提高了磁化强度,将其提高了约20%,达到理论最大值——这是迄今为止尚未达到的水平。
在这些实验中使用的太赫兹源提供了强烈的脉冲,并能够激发材料中一个非常狭窄的频率区域,使其成为一个非常精确的工具。它已经在其他几个MPSD主导的关于光增强超导性和磁性的研究中得到应用。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的不同效应。
除了加深科学家对强烈和超快的光-物质相互作用的理解外,这些结果也是实现磁性元件光学控制的重要垫脚石。“这项工作不仅展示了磁性开关的需求,它还为我们提供了超高速存储和处理信息的方法,”MPSD凝聚态动力学部门主任Andrea Cavalleri解释说。
“除了这个演示之外,我们的工作还强调了在无序的、波动的物质阶段中创造秩序的能力,类似于光冻结水。控制这些过程一直是我们团队的长期目标。多年来,我们已经报道了这项工作的许多其他的认识,包括光诱导高温超导性和光诱导铁电性。”