太赫茲雷射光成功磁化反鐵磁材料，開創資訊處理新契機

麻省理工學院（MIT）的物理學家運用太赫茲雷射，直接刺激反鐵磁材料中的原子。太赫茲雷射作為一種光源，每秒振盪超過一兆次。此研究成果為控制和切換反鐵磁材料提供了嶄新方法，而反鐵磁材料因其在推進資訊處理和記憶晶片技術方面的潛力備受矚目。

伊裡亞斯（Ilyas）等人利用太赫茲光，透過非熱途徑證明瞭在層狀磁體中能有效操控磁基態，並確立臨界點附近具有增強序引數漲落的區域，是尋找亞穩隱藏量子態的潛力區域。圖片來源：亞當·格蘭茲曼（Adam Glanzman）。

在一般所稱的鐵磁體中，原子的自旋方向一致，整體極易受到外部磁場的影響，並被拉向外部磁場方向。

相較之下，反鐵磁體由自旋交替的原子構成，每個原子的自旋方向都與鄰近原子相反。

這種「上、下、上、下」的排列方式，實質上抵消了自旋，使得反鐵磁體的淨磁化強度為零，不受任何磁拉力的影響。

若能以反鐵磁材料製造記憶晶片，資料便可「寫入」材料中的微觀區域，即磁疇。

在特定磁疇中，某種自旋取向配置（例如，上 - 下）可代表經典位元「0」，而另一種不同配置（下 - 上）則代表「1」。寫在這種晶片上的資料將能抵抗外部磁場的幹擾。

基於上述及其他原因，科學家認為反鐵磁材料可能是現有基於磁性的儲存技術更可靠的替代方案。

然而，一個主要障礙在於如何可靠地控制反鐵磁體，使其從一種磁狀態切換到另一種磁狀態。

麻省理工學院的努赫·格迪克（Nuh Gedik）教授及其同事，利用精心調諧的太赫茲光，成功可控地將反鐵磁體切換到新的磁狀態。

格迪克教授表示：「反鐵磁材料穩定性高，不易受到雜散磁場的幹擾。」

「然而，這種穩定性是一把雙刃劍；它們對弱磁場不敏感，使得這些材料難以控制。」

研究人員以FePS₃為研究物件，這種材料在臨界溫度約118K時會轉變為反鐵磁相。

他們推測，或許可以透過調諧其原子振動來控制材料的轉變。

麻省理工學院的亞歷山大·馮·赫根（Alexander von Hoegen）博士說：「在任何固體中，你可以把它想像成由不同原子週期性排列而成，原子之間有微小的彈簧。」

「如果你拉動其中一個原子，它會以特定頻率振動，而這個頻率通常處於太赫茲範圍。」

原子的振動方式也與它們的自旋相互作用方式有關。

科學家推斷，如果能用與原子集體振動（稱為聲子）相同頻率振盪的太赫茲源刺激原子，此效應可能會使原子的自旋偏離完美平衡的磁交替排列。

一旦失去平衡，原子在某一方向上的自旋將比另一方向更大，從而產生一個偏好取向，使原本不具有磁性的材料轉變為具有有限磁化強度的新磁狀態。

格迪克教授說：「這個想法是一舉兩得：你激發了原子的太赫茲振動，而這也與自旋相互耦合。」

為了驗證這個想法，他們將FePS₃樣品置於真空腔中，並將其冷卻至118K及以下的溫度。

接著，他們透過將近紅外光束照射在有機晶體上，產生太赫茲脈衝，有機晶體將光轉換為太赫茲頻率。

然後，他們將太赫茲光射向樣品。

麻省理工學院的羅天創（Tianchuang Luo）博士表示：「這個太赫茲脈衝就是我們用來使樣品產生變化的工具。」

「這就像是在樣品中『寫入』一個新狀態。」

為了證實脈衝引發了材料磁性的變化，研究人員還將兩束圓偏振方向相反的近紅外雷射射向樣品。

如果太赫茲脈衝沒有效果，他們應該看不到透射紅外雷射強度有任何差異。

麻省理工學院的巴蒂爾·伊裡亞斯（Batyr Ilyas）博士說：「只要看到有差異，就告訴我們材料不再是原來的反鐵磁體，我們透過太赫茲光震動原子，誘發了新的磁狀態。」

經過多次重複實驗，研究團隊觀察到太赫茲脈衝成功地將先前的反鐵磁材料轉換為新的磁狀態——即使在雷射關閉後，這種轉變仍能持續令人驚訝的長時間，長達數毫秒。

格迪克教授說：「人們以前在其他系統中也見過這些光誘導的相變，但通常它們的持續時間非常短，只有皮秒級，也就是十億分之一秒。」

此項研究發表於《自然》期刊。

論文出處：B. Ilyas等人，2024年。《FePS₃臨界點附近太赫茲場誘發的亞穩磁化》，《自然》636卷，609 - 614頁；doi: 10.1038/s41586-024-08226-x

本文是麻省理工學院釋出的新聞稿版本。