中紅外光對(duì)磁各向異性的超快電子控制

大阪——現(xiàn)代信息技術(shù)中最重要的任務(wù)之一是控制磁鐵的自旋方向。數(shù)據(jù)中心中使用的最先進(jìn)的硬盤驅(qū)動(dòng)器和大容量磁存儲(chǔ)需要在固體中磁化以在納秒內(nèi)切換方向，對(duì)應(yīng)于 GHz 頻率，甚至更快的速度。對(duì)寫入速度不斷增長(zhǎng)的需求促使研究人員對(duì)使用飛秒激光脈沖的光學(xué)技術(shù)進(jìn)行廣泛研究。

當(dāng)近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)非常短的強(qiáng)激光脈沖被磁鐵吸收時(shí)，電子、晶格和自旋系統(tǒng)之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的能量交換，從而導(dǎo)致磁各向異性的改變。了解超快光激發(fā)后子系統(tǒng)之間的這種內(nèi)部能量如何傳遞導(dǎo)致磁各向異性的變化對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效和超快磁記錄至關(guān)重要，未來(lái)將超過(guò)皮秒甚至飛秒。

在這項(xiàng)工作中，康斯坦茨大學(xué)、東京大學(xué)和大阪大學(xué)的研究人員表明，飛秒時(shí)間尺度下電子和晶格自由度的光激發(fā)導(dǎo)致原型弱鐵磁體 Sm 中磁各向異性的明顯不同的時(shí)間演化0.7Er0.3FeO3。

這種稀土正鐵氧體表現(xiàn)出所謂的自旋重定向轉(zhuǎn)變 (SRT)，其中在臨界溫度下發(fā)生自旋方向的變化。通過(guò)用強(qiáng)烈的、共振調(diào)諧到聲子頻率的飛秒中紅外激光脈沖照射樣品并探測(cè)由于自旋重定向引起的超快自旋動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn) SRT 發(fā)生延遲。在這里，晶格相對(duì)緩慢的熱化限制了自旋動(dòng)力學(xué)。相反，當(dāng)激發(fā)稀土 Sm3+離子的 4f 電子躍遷時(shí)，發(fā)現(xiàn) SRT 動(dòng)力學(xué)立即開(kāi)始。

該結(jié)果表明磁各向異性通過(guò)純電子變化而改變，而不會(huì)向晶格系統(tǒng)釋放過(guò)多熱量。數(shù)據(jù)表明，這種超快各向異性修改的速度達(dá)到了幾十飛秒的時(shí)間尺度——比自旋動(dòng)力學(xué)本身快得多。因此，4f 電子泵浦可以允許在未來(lái)在皮秒時(shí)間尺度以下運(yùn)行的自旋電子器件中超快“觸發(fā)”磁化切換。

“到目前為止，已經(jīng)廣泛研究了紅外光激發(fā)后超快晶格加熱的影響。然而，這是第一次在飛秒時(shí)間尺度上清楚地區(qū)分晶格和電子躍遷對(duì)超快磁各向異性的作用”，作者說(shuō)。

由于含有稀土元素的過(guò)渡金屬化合物是現(xiàn)代世界中使用最廣泛的磁鐵之一，這里展示的方案有望為一種新的非熱途徑鋪平道路，以超快控制一個(gè)重要的自旋動(dòng)力學(xué)的材料。

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