研究發(fā)現(xiàn)用激光控制材料磁性可開發(fā)更快更小更節(jié)能的存儲芯片

美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家利用光首次在一種材料中創(chuàng)造出持久的全新磁性狀態(tài)。

根據(jù)近期發(fā)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(fā)了反鐵磁材料中的原子。通過將激光頻率調(diào)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(tài)，誘導(dǎo)材料進入了一種新的磁性狀態(tài)。

這一發(fā)現(xiàn)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(shù)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(jié)構(gòu)，自旋相互抵消，導(dǎo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲具有極強的抗磁干擾能力。

因此，反鐵磁材料被認(rèn)為是現(xiàn)有磁性存儲技術(shù)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(tài)仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

“反鐵磁材料非常穩(wěn)定，不會受到外部磁場的影響。”麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授格迪克解釋道，“但這種穩(wěn)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(diào)節(jié)太赫茲光，研究團隊實現(xiàn)了對反鐵磁材料的可控切換，使其進入新的磁性狀態(tài)。這一成果或?qū)⑼苿游磥黹_發(fā)存儲更多數(shù)據(jù)、能耗更低且更緊湊的芯片，得益于反鐵磁體的磁域穩(wěn)定性。

“傳統(tǒng)上，這類反鐵磁材料極難調(diào)控?！备竦峡搜a充道，“但現(xiàn)在我們有了可以精準(zhǔn)控制它們的新方法?！?/p>

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

打破平衡

由格迪克教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊一直專注于開發(fā)操控量子材料的新方法。這些材料因其原子之間的復(fù)雜相互作用，常展現(xiàn)出奇異的物理特性。

“通常情況下，我們會利用光來激發(fā)材料，以研究其內(nèi)在結(jié)構(gòu)和特性?！备竦峡私忉尩溃袄?，為什么一種材料會呈現(xiàn)反鐵磁特性？是否可以通過微擾其內(nèi)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(diào)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(guī)則排列的小球，它們通過‘彈簧’彼此連接?！眻F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?！?/p>

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(shè)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(fā)材料，不僅可以引發(fā)原子的振動，還可能打破其自旋排列的精妙平衡。當(dāng)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(yōu)先方向，使材料進入一種全新的、具有有限磁化的狀態(tài)。

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

振動并寫入全新磁性狀態(tài)

為了驗證理論，研究團隊使用了由首爾大學(xué)合作者合成的FePS3樣品。實驗中，他們將樣品放置在真空腔內(nèi)，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(zhuǎn)換為太赫茲頻率，進而將太赫茲脈沖引導(dǎo)至樣品。

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

為了驗證這種狀態(tài)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(fā)變化，兩束激光透射后的強度差異應(yīng)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾麓判誀顟B(tài)的直接證據(jù)。

“只要出現(xiàn)這種差異，就證明我們通過太赫茲脈沖振動原子，成功誘導(dǎo)了材料進入一種全新的磁性狀態(tài)?！币羴喫菇忉尩?。

在實驗中，研究團隊多次觀察到，太赫茲脈沖能夠穩(wěn)定地將反鐵磁材料切換到新的磁性狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變的持續(xù)時間遠超預(yù)期：即使激光關(guān)閉后，狀態(tài)仍然能夠維持?jǐn)?shù)毫秒之久。

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

數(shù)毫秒的時間窗口為科學(xué)家提供了研究這一暫時新狀態(tài)特性的寶貴機會。在材料恢復(fù)至原始反鐵磁性之前，科學(xué)家可以進一步探究如何優(yōu)化這一狀態(tài)的調(diào)控手段，找到更多可以精細調(diào)整反鐵磁材料的“旋鈕”，為下一代存儲技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。