實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家重新定義超快，相干磁！又要修改教科書(shū)？你手里的教材還好使嗎？材料的電子性能，在飛秒(10^-15秒)內(nèi)的光吸收直接受到影響，這被認(rèn)為是電子電路最大可達(dá)速度的極限。

相比之下，直到現(xiàn)在，物質(zhì)的磁矩只受到光和磁鏈過(guò)程的影響，也只能通過(guò)磁場(chǎng)的繞行方式來(lái)影響，這就是為什么磁開(kāi)關(guān)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，至少幾百飛秒。

來(lái)自馬普量子光學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)物理研究所、馬普波恩研究所、格賴夫斯瓦爾德大學(xué)和格拉茨理工大學(xué)研究人員組成的一個(gè)聯(lián)合小組。直到現(xiàn)在才能夠通過(guò)激光脈沖，在可見(jiàn)光電場(chǎng)振蕩的時(shí)間尺度上操縱鐵磁性材料的磁性，從而與電學(xué)特性同步。這種影響可以被加速到200倍，并通過(guò)時(shí)間分辨阿秒光譜測(cè)量和表示，其研究發(fā)表在《自然》上。

材料組成作為一個(gè)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)

在阿秒光譜學(xué)中，磁性材料受到超短激光脈沖的轟擊和電子影響。光線的閃爍在材料中引發(fā)了一種內(nèi)在、通常是延遲的過(guò)程。電子激發(fā)轉(zhuǎn)化為磁性能的變化。由于鐵磁體與非磁性金屬的結(jié)合，所述實(shí)驗(yàn)中的磁反應(yīng)與電子反應(yīng)一樣快。在光學(xué)上能夠?qū)崿F(xiàn)電荷載體的空間重新分布，從而直接導(dǎo)致磁性能的改變。

同時(shí)在格賴夫斯瓦爾德的團(tuán)隊(duì)一起開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)了這種特殊的材料系統(tǒng)，通過(guò)這一點(diǎn)，超快磁場(chǎng)將具有全新的意義。柏林馬克斯伯恩研究所(Max Born Institute)的研究員桑吉塔?夏爾馬(Sangeeta Sharma)說(shuō)：我們預(yù)計(jì)，在所有磁性和電子自旋發(fā)揮作用的應(yīng)用領(lǐng)域，這都將帶來(lái)顯著的發(fā)展進(jìn)步，并利用計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)了這一潛在過(guò)程。

向相干磁方向邁出的第一步

此外，研究人員在測(cè)量中表明，觀察到的過(guò)程是連貫的：這意味著移動(dòng)電荷載體的量子力學(xué)波性質(zhì)得到了保留。這些條件允許科學(xué)家使用單個(gè)原子作為信息載體，而不是更大的物質(zhì)單位，或者使用另一種特定的延遲激光脈沖來(lái)影響不斷變化的磁性能，從而推進(jìn)技術(shù)的小型化。從新的角度來(lái)看，這可能會(huì)促使類似于磁學(xué)領(lǐng)域的神奇發(fā)展，比如量子計(jì)算中的電子相干性。在許多早期實(shí)驗(yàn)中觀察到的電子現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間神秘的相互作用，以及麥克斯韋方程組中所描述的現(xiàn)象，推動(dòng)了現(xiàn)代電磁學(xué)的發(fā)展。

今天，超短激光脈沖電場(chǎng)的完全受控演化，使物質(zhì)的電子性質(zhì)能夠直接和超快地調(diào)諧，而物質(zhì)的電子性質(zhì)是光波電子的基石。相比之下，由于光和自旋之間缺乏一階相互作用，物質(zhì)的磁性能只能通過(guò)一系列光激發(fā)和隨后自旋結(jié)構(gòu)的重新排列來(lái)間接地和在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上受到影響。在本研究實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家研究了超快相干磁的機(jī)制，并展示了如何通過(guò)光電場(chǎng)振蕩直接控制鐵磁層疊加的磁性能，從而將對(duì)外部刺激的磁響應(yīng)時(shí)間縮短兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了實(shí)時(shí)跟蹤展開(kāi)動(dòng)力學(xué)，開(kāi)發(fā)了一種阿秒時(shí)間分辨磁圓二色性檢測(cè)方案，揭示了光誘導(dǎo)自旋和軌道動(dòng)量轉(zhuǎn)移與光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的相干電荷重定位同步進(jìn)行。通過(guò)從頭算量子動(dòng)力學(xué)模型，展示了該機(jī)制如何同時(shí)控制自旋電子和磁性能，這對(duì)自旋電子的功能至關(guān)重要。研究揭示了自旋動(dòng)力學(xué)的光場(chǎng)相干控制和初始非耗散時(shí)間域的宏觀磁矩，并建立了光學(xué)頻率作為未來(lái)相干自旋電子應(yīng)用、自旋晶體管和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的速度限制。

博科園｜研究/來(lái)自：格拉茨科技大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1333-x

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