利用光來控制固體中的磁性是一個(gè)很有前途的未來技術(shù)平臺(tái)。今天的計(jì)算機(jī)主要依靠電荷的流動(dòng)來處理信息。此外，數(shù)字內(nèi)存存儲(chǔ)設(shè)備利用了必須在外部磁場中切換的磁位。這兩個(gè)方面都限制了當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)的速度和能源效率。使用光來代替光學(xué)切換存儲(chǔ)器和計(jì)算設(shè)備可以徹底改變處理速度和效率。

YTiO3是一種過渡金屬氧化物，只有在27K或-246攝氏度以下才會(huì)變成鐵磁性，其特性類似于冰箱磁鐵。在這些低溫下，鈦原子上的電子自旋向一個(gè)特定方向排列。正是這種自旋的集體排序使整個(gè)材料具有宏觀上的磁化，并使其變成鐵磁性。相反，在27K以上的溫度下，單個(gè)自旋隨機(jī)波動(dòng)，因此沒有鐵磁性的發(fā)展。

利用德國漢堡馬克斯-普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所（MPSD）開發(fā)的強(qiáng)大的太赫茲光源，研究小組成功地在YTiO3中實(shí)現(xiàn)了鐵磁性，溫度高達(dá)近100K（-193°C），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其正常轉(zhuǎn)變溫度。光誘導(dǎo)的狀態(tài)也持續(xù)了許多納秒。強(qiáng)烈的光脈沖被設(shè)計(jì)為以協(xié)調(diào)的方式"搖動(dòng)"材料的原子，使電子能夠?qū)R它們的自旋。

"脈沖的頻率被調(diào)整為驅(qū)動(dòng)YTiO3晶格的特定振動(dòng)，稱為聲子，"主要作者Ankit Disa解釋說。"我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們以9太赫茲的自然頻率激發(fā)一個(gè)特定的聲子時(shí)，自旋的集體秩序和電子的軌道被修改，導(dǎo)致了對(duì)鐵磁狀態(tài)的更大傾向。當(dāng)驅(qū)動(dòng)其他聲子時(shí)，我們觀察到完全不同的結(jié)果： 在4太赫茲激發(fā)一個(gè)聲子實(shí)際上會(huì)惡化鐵磁性，而在17太赫茲激發(fā)一個(gè)聲子會(huì)增強(qiáng)鐵磁性--但不像9太赫茲聲子那樣強(qiáng)烈。"

在通常的過渡溫度27K以下，9THz聲子的激發(fā)大大增加了磁化，將其提高了約20%，達(dá)到了理論最大值--這是迄今為止尚未達(dá)到的水平。

這些實(shí)驗(yàn)中使用的太赫茲源提供了強(qiáng)烈的脈沖，并且能夠激發(fā)材料中一個(gè)非常狹窄的頻率區(qū)域，使其成為一個(gè)極其精確的工具。它已經(jīng)被部署在其他幾個(gè)由MPSD領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)于光增強(qiáng)超導(dǎo)性和磁性的研究中。然而，這項(xiàng)工作首次揭示了通過激發(fā)一系列晶格振動(dòng)可以產(chǎn)生質(zhì)量上不同的效果。

除了加深科學(xué)家對(duì)強(qiáng)烈和超快的光-物質(zhì)相互作用的理解外，這些結(jié)果是走向磁性元件的光學(xué)控制的重要墊腳石。

MPSD凝聚態(tài)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)部主任Andrea Cavalleri解釋說："這項(xiàng)工作不僅展示了按需開關(guān)磁性，它還讓我們預(yù)見到了在超高速存儲(chǔ)和處理信息時(shí)可以做什么。"除了這個(gè)演示，我們的工作還強(qiáng)調(diào)了在無序的、波動(dòng)的物質(zhì)相中創(chuàng)造秩序的能力，類似于用光來凍結(jié)水。控制這些過程一直是我們小組的一個(gè)長期目標(biāo)。多年來，我們已經(jīng)報(bào)告了一些其他的實(shí)現(xiàn)，包括光誘導(dǎo)高溫超導(dǎo)性和光誘導(dǎo)鐵電性。"

標(biāo)簽： 高速計(jì)算 太赫茲激光脈沖 鐵磁現(xiàn)象