研究發現用激光控制材料磁性可開發更快更小更節能的存儲芯片

美國麻省理工學院的物理學家利用光首次在一種材料中創造出持久的全新磁性狀態。

根據近期發表在《自然》上的研究，研究團隊使用一種太赫茲激光（振蕩頻率超過每秒一萬億次的光源）直接激發了反鐵磁材料中的原子。通過將激光頻率調諧到材料原子之間的自然振動頻率，他們成功改變了原子自旋的平衡狀態，誘導材料進入了一種新的磁性狀態。

這一發現為控制和切換反鐵磁材料提供了全新途徑。這類材料在信息處理和存儲技術中展現出巨大的應用潛力。

在常見的磁性材料中，原子自旋方向一致，因此容易受到外部磁場的影響。然而，反鐵磁材料的原子自旋呈交替排列，形成“上一下一上一下”的結構，自旋相互抵消，導致材料整體的凈磁化為零，從而不受外部磁場的干擾。

如果能夠用反鐵磁材料制造存儲芯片，數據可以被寫入到材料的微觀磁域中。例如，某種特定的自旋配置（如“上一下”）可表示比特“0”，而另一種配置（如“下一上”）則表示比特“1”。這種芯片的數據存儲具有極強的抗磁干擾能力。

因此，反鐵磁材料被認為是現有磁性存儲技術的理想替代品。然而，如何可靠地控制這些材料并切換其磁性狀態仍然是一個重大挑戰。

“反鐵磁材料非常穩定，不會受到外部磁場的影響。”麻省理工學院物理學教授格迪克解釋道，“但這種穩定性也讓它們難以被控制，因為它們對弱磁場并不敏感。

通過精確調節太赫茲光，研究團隊實現了對反鐵磁材料的可控切換，使其進入新的磁性狀態。這一成果或將推動未來開發存儲更多數據、能耗更低且更緊湊的芯片，得益于反鐵磁體的磁域穩定性。

“傳統上，這類反鐵磁材料極難調控。”格迪克補充道，“但現在我們有了可以精準控制它們的新方法。”

這項研究由格迪克教授領銜，團隊成員包括來自麻省理工學院的多名研究人員，以及來自德國馬普結構與動力學研究所、西班牙巴斯克大學、韓國首爾大學和紐約Flatiron研究所的合作者。

打破平衡

由格迪克教授領導的團隊一直專注于開發操控量子材料的新方法。這些材料因其原子之間的復雜相互作用，常展現出奇異的物理特性。

“通常情況下，我們會利用光來激發材料，以研究其內在結構和特性。”格迪克解釋道，“例如，為什么一種材料會呈現反鐵磁特性？是否可以通過微擾其內部相互作用，將它變成鐵磁體？”

在最新研究中，團隊選擇了鐵磷硫晶體（FePS3）作為研究對象。這種材料在接近負155攝氏度的臨界溫度下會進入反鐵磁相。

研究人員推測，如果能夠調整該材料中的原子振動，或許可以控制其磁性相變過程。

“在固體材料中，你可以將原子想象成一個個規則排列的小球，它們通過‘彈簧’彼此連接。”團隊成員霍根解釋，“如果你拉動一個原子，它會以某種特定頻率振動，而這個頻率通常位于太赫茲范圍。”

這些原子的振動方式與自旋的相互作用密不可分。研究團隊設想，如果使用與原子集體振動頻率（即聲子頻率）相匹配的太赫茲光源來激發材料，不僅可以引發原子的振動，還可能打破其自旋排列的精妙平衡。當這種平衡被打破時，某一方向的自旋可能會變得更強，形成優先方向，使材料進入一種全新的、具有有限磁化的狀態。

“這種方法一舉兩得：既能激發原子的太赫茲振動，又能讓振動與自旋耦合。”格迪克總結道。

振動并寫入全新磁性狀態

為了驗證理論，研究團隊使用了由首爾大學合作者合成的FePS3樣品。實驗中，他們將樣品放置在真空腔內，并冷卻至118開爾文及以下的溫度。隨后，利用近紅外光束照射有機晶體，生成太赫茲脈沖。這些晶體可以將光轉換為太赫茲頻率，進而將太赫茲脈沖引導至樣品。

“我們利用太赫茲脈沖改變樣品的狀態。”團隊成員羅天創（音譯）說道，“這相當于在樣品中‘寫入’了一種新的磁性狀態。

為了驗證這種狀態變化是否成功，研究團隊向樣品投射了兩束具有相反圓偏振的近紅外激光。如果太赫茲脈沖未引發變化，兩束激光透射后的強度差異應為零。然而，實驗中觀察到的強度差異，正是材料從反鐵磁狀態轉變為新磁性狀態的直接證據。

“只要出現這種差異，就證明我們通過太赫茲脈沖振動原子，成功誘導了材料進入一種全新的磁性狀態。”伊亞斯解釋道。

在實驗中，研究團隊多次觀察到，太赫茲脈沖能夠穩定地將反鐵磁材料切換到新的磁性狀態。這種轉變的持續時間遠超預期：即使激光關閉后，狀態仍然能夠維持數毫秒之久。

“以往的研究也曾在其他系統中觀察到光誘導的相變，但這些相變通常非常短暫，僅持續皮秒級（萬億分之一秒），”格迪克補充道。

數毫秒的時間窗口為科學家提供了研究這一暫時新狀態特性的寶貴機會。在材料恢復至原始反鐵磁性之前，科學家可以進一步探究如何優化這一狀態的調控手段，找到更多可以精細調整反鐵磁材料的“旋鈕”，為下一代存儲技術的發展奠定基礎。