中紅外光對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)動器和大容量磁存儲需要在固體中磁化以在納秒內(nèi)切換方向，對應(yīng)于 GHz 頻率，甚至更快的速度。對寫入速度不斷增長的需求促使研究人員對使用飛秒激光脈沖的光學(xué)技術(shù)進(jìn)行廣泛研究。

當(dāng)近紅外波長范圍內(nèi)非常短的強(qiáng)激光脈沖被磁鐵吸收時，電子、晶格和自旋系統(tǒng)之間會發(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于實現(xiàn)高效和超快磁記錄至關(guān)重要，未來將超過皮秒甚至飛秒。

在這項工作中，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由于自旋重定向引起的超快自旋動力學(xué)，發(fā)現(xiàn) SRT 發(fā)生延遲。在這里，晶格相對緩慢的熱化限制了自旋動力學(xué)。相反，當(dāng)激發(fā)稀土 Sm3+離子的 4f 電子躍遷時，發(fā)現(xiàn) SRT 動力學(xué)立即開始。

該結(jié)果表明磁各向異性通過純電子變化而改變，而不會向晶格系統(tǒng)釋放過多熱量。數(shù)據(jù)表明，這種超快各向異性修改的速度達(dá)到了幾十飛秒的時間尺度——比自旋動力學(xué)本身快得多。因此，4f 電子泵浦可以允許在未來在皮秒時間尺度以下運(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間尺度上清楚地區(qū)分晶格和電子躍遷對超快磁各向異性的作用”，作者說。

由于含有稀土元素的過渡金屬化合物是現(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，以超快控制一個重要的自旋動力學(xué)的材料。

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