追蹤超快磁態變化，有了新方法

2020-09-05 科學大觀園雜誌


Dmitry Turchinovich教授（左）與Wentao Zhang展示了測試磁態超快變化的方法。

《自然·通訊》雜誌8月25日發文稱，來自德國比勒費爾德大學、瑞典烏普薩拉大學、法國斯特拉斯堡大學和上海科技大學等機構的研究人員通過觀測伴隨磁化變化的太赫茲輻射，精確測定了材料中磁性狀態的超快變化。

磁存儲器不僅需要通過縮小磁位尺寸獲得更大的容量，運行速度也越來越快。原則上講，磁位是可以翻轉的：在近1皮秒的超短時間尺度上，磁位的0/1狀態能夠快速切換。這使得磁存儲器能夠以太赫茲頻率運行，並對應極高的數據率。

比勒費爾德大學物理學教授Dmitry Turchinovich博士解釋說：「真正的挑戰在於，如何能夠迅速而靈敏地探測出相關的磁場變化。現有探測方法存在明顯缺陷，如需要超高真空條件，無法對封裝材料進行測試等。我們希望利用電動力學的基本原理應對這一挑戰——材料磁化強度的變化必然導致電磁輻射的發射，後者包含了磁化強度變化的全部信息。如果材料的磁化強度是在皮秒尺度上發生變化，那麼發射出的輻射將屬於太赫茲頻率範圍。然而，這種『磁偶極輻射』非常微弱，很容易被其他來源的光輻射所掩蓋。」


研究人員測定了涉及超快電子和聲學過程的鐵納米膜中的磁化動力學信息。


論文作者、博士生Wentao Zhang補充說：「經過不懈努力，團隊最終成功分離出了磁偶極太赫茲輻射，這使得我們能夠可靠地在封裝鐵納米膜中重建超快磁化動力學。」

實驗中，研究人員向鐵納米膜發送了極短的雷射脈衝，使其快速退磁。同時，他們收集了退磁過程中發射出的太赫茲光。通過分析太赫茲輻射，研究人員得到了鐵納米膜中磁態的精確時間演化。

Turchinovich教授說：「分析完成後，我們發現實際所得遠超預期。在雷射照射下，鐵會快速退磁。此時，我們觀測到了一個附加信號。雖然它很弱小，但對磁化動力學來講已經非常清晰。附加信號來自鐵的退磁過程——實際上，它是在高速聲波脈衝通過樣品時產生的。聲音從何而來？答案很簡單，鐵納米膜吸收雷射時，不僅退磁，還升溫了。大多數材料受熱時會膨脹，鐵納米膜在膨脹時發射了太赫茲超聲波脈衝。聲波脈衝在樣品內部和外部邊界之間來回『跳動』，產生回聲。而當回聲通過鐵納米膜時，聲波壓力會迫使鐵原子產生微弱移動，進一步削弱材料磁性。此前，從未有人在如此短的時間尺度上觀測到這種效應。」

項目理論研究負責人、烏普薩拉大學物理學教授Peter M. Oppeneer博士說：「我們很高興能觀測到聲音驅動的超快磁化信號。它很清晰，且非常強大。」

Oppeneer教授的同事Pablo Maldonado博士完成了至關重要的數值計算任務。他補充說：「實驗數據和第一原理理論計算結果幾乎完美匹配。這證實我們的測試方法確實非常精確，也足夠靈敏——因為我們能夠清楚區分不同來源的超快磁信號。」

原創編譯：雷鑫宇 審稿：alone 責編：Max

期刊來源：《自然通訊》

期刊編號：2041-1723

原文連結：https://phys.org/news/2020-08-method-track-ultrafast-magnetic-state.html

版權聲明：本文為原創編譯，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。轉載請註明來源。

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