弱者的崛起：反铁磁体中被忽略的机制可能是自旋电子学的关键

图1。光学激光脉冲会产生两种类型的转矩，即场效应（？FL）和阻尼效应（？DL），它们会影响YMnO3的三种磁化强度。类似阻尼的扭矩对固有的椭圆振荡磁化强度有显着影响，从而在反铁磁有序中产生较大的瞬时变化。

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家发现了反铁磁体中的一种机制，该机制可能对自旋电子器件有用。他们在理论上和实验上证明，由光学驱动的激发产生的磁化转矩之一对自旋取向的影响要比以前认为的要强得多。这些发现可以为操纵自旋提供一种新的高效机制。

全球范围内的技术领域正在作出巨大的努力，该领域可能会超越传统电子产品的能力：自旋电子学。自旋电子器件可以代替操纵带电粒子（电子）的集体运动而进行操作，而是通过操纵自旋来进行存储器存储和数据传输，自旋是与角动量相关的基本粒子的固有特性，并且材料中由此产生许多磁特性。不幸的是，控制自旋已被证明是一项具有挑战性的工作，导致物理学家和工程师寻求有效的材料和技术来做到这一点。

在这方面，反铁磁材料（AFM）是自旋电子学的良好候选者，因为它们耐外部磁场，并且允许在皮秒级的时间范围内切换自旋值。一种操纵AFM中自旋取向的有前途的策略是使用光学激光器产生寿命极短的磁场脉冲，这种现象被称为法拉第逆效应（IFE）。尽管AFM中的IFE会在其磁化强度上产生两种截然不同的扭矩（旋转力），但现在看来，这两种方法中最重要的一种已在某种程度上被研究忽略了。

在自然通讯上发表的最新研究中，包括日本东京科技大学的佐藤拓也教授在内的三位科学家深入研究了这一问题。AFM中的自旋动力学用两个术语的总和表示：像磁场一样的扭矩和像阻尼一样的扭矩（图1）。正如“阻尼”一词所暗示的，后者与材料上的光脉冲触发的自旋振荡的逐渐衰减（或减弱）有关。

迄今为止，科学家仅从激励后的自旋弛豫角度研究了类似阻尼的转矩，并认为在超短自旋激励过程中其幅值很小。然而，在这项研究中，Satoh教授及其同事发现，在某些情况下，由于IFE，它是旋转重新定向的主要参与者。通过对YMnO3和HoMnO3的理论分析和实验验证，他们阐明了阻尼效应成为主导的自旋激发机理的条件。

结果的简化解释如下。想象一下一个悬挂的摆锤（磁化方向）以大弧度振荡，画出一个非常明显的椭圆。类似阻尼的扭矩会在小直径的方向上产生较大的瞬时扰动，“使其倾斜”并使其倾斜，就像将要掉落的陀螺一样。萨托教授解释说：“由于与阻尼有关的磁化强度很小，否则会由于原子力显微镜固有的极度椭圆率而引起较大的自旋倾斜。”他补充说：“考虑到可以通过策略性地选择AFM中的离子来调节阻尼强度，我们可能已经找到一种方法来调节特定自旋电子应用的材料性能。”

这三位科学家还测试了温度如何影响自旋动力学，温度超过某些阈值会影响甚至破坏反铁磁序。通过使材料接近临界转变点，它们设法从阻尼型扭矩产生更明显的效果。佐藤教授对结果感到兴奋，他说：“我们的结果表明，光学产生的扭矩可能会提供长期以来广受追捧的工具，从而能够有效地实现AFM中的超快速自旋切换。”

尽管在应用自旋电子学成为现实之前肯定会需要进行更多的研究，但是发现自旋操纵的有效机制显然是第一步。这项研究证明，这种机制可能隐藏在我们已知和忽视的现象中！

参考：Christian Tzschaschel，Takuy​​a Satoh和Manfred Fiebig撰写的“通过反铁磁中的超快阻尼转矩实现有效的自旋激发”，自然通讯，2020年12月1日。DOI：
10.1038 / s41467-020-19749-y