太赫茲光開啟更智慧、更快速記憶體晶片新時代

來自馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）和麻省理工學院（MIT）的科學家們完成了一項突破性成就——僅使用光就在反鐵磁材料中創造出穩定、持久的磁態。這一發現可能會引領記憶體晶片技術和資訊處理領域取得重大進展。

研究人員使用每秒振盪超過一兆次的太赫茲雷射，直接激發材料的原子。他們精心調整雷射的頻率，使其與原子的自然振動相匹配，引發原子結構的超快轉變，將材料推入一種新的磁態。他們的研究成果最近發表在《自然》雜誌上，凸顯了光以創新方式控制磁性的潛力。

在日常生活中，像冰箱貼這樣的普通磁鐵，其內部原子的磁矩會朝同一方向排列，從而產生強大的整體磁場。這些被稱為鐵磁體的材料雖然有效，但很容易受到外部磁場的影響。

相反，反鐵磁體具有不同的結構——它們的原子自旋呈上下交替模式，相互抵消，因此不會產生整體磁化。這使得它們對外部磁幹擾具有很強的抵抗力，這對於製造更穩定、抗幹擾的記憶體晶片可能非常有用。然而，一個主要的挑戰是找到一種可靠的方法來切換它們的磁態，使其能夠應用於實際場景。

在最近發表於《自然》雜誌的一項研究中，馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所和麻省理工學院的研究人員利用太赫茲光控制並將反鐵磁體轉換到一種新的磁態。這一突破展示了反鐵磁材料在未來記憶體晶片中的潛力，這些晶片可以儲存和處理更多資料，消耗更少的能量，並佔用更少的空間。

該研究的共同領導者、馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所理論部主任安傑爾・魯比奧（Angel Rubio）和麻省理工學院唐納物理學教授努赫・格迪克（Nuh Gedik）表示：「一般來說，這種反鐵磁材料不容易控制，但現在我們找到了一些可以調節它們的方法。」

研究團隊使用的是FePS₃材料，它在大約118開爾文（-115°C）時會轉變為反鐵磁相。他們假設可以透過調節其原子振動（稱為聲子）來控制其磁態。格迪克研究小組的博士後研究員亞歷山大・馮・赫根（Alexander von Hoegen）解釋說：「你可以把任何固體想像成一組週期性排列的原子，由微小的彈簧連線。如果你拉動一個原子，它會以特定的頻率振動，通常在太赫茲範圍內。」

研究團隊推測，透過用調諧到其自然頻率的太赫茲雷射激發這些聲子，他們可以使原子的自旋偏離完美的平衡排列。這種不平衡將產生一個優先取向，使材料轉變為具有有限磁化的新狀態。魯比奧研究小組的博士後研究員埃米爾・維尼亞斯・博斯特倫（Emil Viñas Boström）說：「這個想法是激發原子的太赫茲振動，這些振動也會與自旋耦合。」

格迪克研究小組的研究生巴蒂爾・伊利亞斯（Batyr Ilyas）補充道：「看到材料光學性質的變化，就表明它不再是原來的反鐵磁體，我們本質上是在用太赫茲光搖動原子，從而誘發一種新的磁態。」

多次實驗表明，太赫茲脈衝可以成功地將反鐵磁體轉換到這種新的磁態。在雷射關閉後，這種狀態會持續數毫秒。為了理解這種長壽命磁化背後的機制，研究人員開發了一個模型，描述自旋與聲子之間的相互作用。他們確定了一種特定的聲子模式——晶格內的一種振盪模式——它介導了材料反鐵磁和鐵磁狀態之間的耦合。

魯比奧說：「這是一種非常不尋常的情況，磁漲落的變化導致了一種新型的磁有序。通常情況下，漲落會破壞磁有序，但在這裡它們產生了積極的效果。」

模擬顯示，在轉變溫度附近，誘導磁化的壽命由反鐵磁有序的緩慢動力學決定，這種現象稱為臨界慢化。維尼亞斯・博斯特倫說：「接近有序溫度時，反鐵磁體內部的時間似乎變慢了，自旋開始非常緩慢地移動。聲子就像一種膠水，將磁化與反鐵磁漲落耦合起來，並減緩磁化的弛豫。」

這種延長的壽命為科學家們提供了一個視窗，以便在反鐵磁體恢復之前研究這種暫時的磁態。理解這些動力學可能會為控制反鐵磁體和最佳化其在下一代記憶儲存技術中的應用開闢新途徑。

如需瞭解更多關於這項研究的資訊，請參閱《科學家僅用光使材料具有磁性》。

參考文獻：Batyr Ilyas、Tianchuang Luo、Alexander von Hoegen、Emil Viñas Boström、Zhuquan Zhang、Jaena Park、Junghyun Kim、Je - Geun Park、Keith A. Nelson、Angel Rubio和Nuh Gedik的《太赫茲場在FePS₃臨界點附近誘導的亞穩態磁化》，2024年12月18日，《自然》。DOI: 10.1038/s41586 - 024 - 08226 - x