研究背景
近年來，磁性材料領(lǐng)域中巴尼特效應(yīng)是一個備受關(guān)注的領(lǐng)域，因為它描述了當(dāng)慣性物體在機械旋轉(zhuǎn)時，其原本為零的凈磁矩會獲得自發(fā)磁化的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的探索成為了研究的焦點，特別是在理解和利用超快光學(xué)效應(yīng)方面。隨著時間的推移，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種令人振奮的現(xiàn)象：超短激光脈沖可以在數(shù)百飛秒內(nèi)摧毀有序鐵磁體的磁化，這是一項突破性的實驗成果。而這一過程中，自旋失去角動量并轉(zhuǎn)移到圓偏振光學(xué)聲子上，作為超快愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)的一部分。然而，雖然已經(jīng)取得了重要進展，但利用高頻率晶格振動來在鄰近的磁性介質(zhì)中切換磁化的前景尚未得到實驗探索。為了解決這一問題，荷蘭尼梅亨大學(xué)費利克斯實驗室C. S. Davies等科學(xué)家聯(lián)合通過共振激發(fā)順磁基底中的圓偏振光學(xué)聲子，他們成功地臨時獲得了自發(fā)磁化，從而實現(xiàn)了利用超快巴尼特效應(yīng)來切換磁化的目標。這一方法的關(guān)鍵在于選擇性地驅(qū)動位于順磁基底中的聲子，使其產(chǎn)生微觀的螺旋振蕩，并通過巴尼特效應(yīng)導(dǎo)致宏觀磁化的出現(xiàn)。而通過調(diào)節(jié)聲子的手性，他們成功地控制了磁化反轉(zhuǎn)的方向。這項研究的突破意義在于，切換過程由基底介導(dǎo)，并且不依賴于感興趣的磁性材料的特性，因此具有很高的普適性，有望在通用尺度上操縱磁序。最終相關(guān)成果發(fā)題為“Phononic switching of magnetization by the ultrafast Barnett effect” 在Nature上。
研究內(nèi)容
在這項研究中，為了利用超快巴尼特效應(yīng)遠程切換磁化，研究人員進行了下圖1的實驗。他們首先通過圖1a示意了圓偏振光學(xué)聲子在順磁基底中的共振激發(fā)，利用超快巴尼特效應(yīng)誘導(dǎo)表面局部磁化。實驗中使用的基礎(chǔ)異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意如圖1b所示。然后，他們使用圓偏振的中紅外光場，有選擇性地共振驅(qū)動基底中的高頻聲子。實驗結(jié)果如圖1c所示，當(dāng)使用特定極化的宏脈沖時，感興趣的磁性材料表面形成了明顯的磁化切換環(huán)，這一現(xiàn)象受到初始磁極性和光學(xué)手性的影響。隨后，在圖1d中，通過在樣品上掃描圓偏振的宏脈沖，進一步展示了切換效應(yīng)的手性依賴性。具體來說，在從左到右掃描時，環(huán)的左邊緣單向切換了其路徑上的所有磁域，形成了統(tǒng)一的光或暗的磁域軌跡。圖1. 超快巴尼特效應(yīng)的概念以及如何遠程切換磁化。為了進一步了解激發(fā)頻率的影響，研究人員調(diào)節(jié)了圓偏振宏脈沖的中心波長，并觀察了切換效應(yīng)。圖2a和2b顯示了在不同基底上的磁化切換譜依賴性。結(jié)果表明，在特定的波長范圍內(nèi)，手性依賴的切換效應(yīng)最為顯著。通過與基底的光譜吸收特征對比，發(fā)現(xiàn)切換效率與基底中的光學(xué)聲子的頻率吻合。這表明，聲子的共振激發(fā)在切換過程中起著關(guān)鍵作用。此外，在玻璃陶瓷基底上的實驗結(jié)果顯示了不同的切換譜依賴性，這與該基底的光學(xué)特性相關(guān)。值得注意的是，在硅基底上的磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)則沒有觀察到手性依賴的切換效應(yīng)，這是因為硅在這個頻率范圍內(nèi)沒有紅外活性的光學(xué)聲子。綜上所述，這些實驗結(jié)果為利用超快巴尼特效應(yīng)實現(xiàn)遠程磁化切換提供了重要的實驗證據(jù)，并揭示了聲子共振激發(fā)在該過程中的關(guān)鍵作用。 在這項研究中，為了探索藍寶石基底異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的手性依賴切換效率，研究人員進行了圖3的實驗，并將光學(xué)波長固定在 λ = 21 微米。首先，他們發(fā)現(xiàn)降低掃描速度會顯著提高切換效率，使其接近100%。此外，切換效率在入射光強度超過一定閾值后趨于穩(wěn)定，這是由于光學(xué)傳遞的熱負載的高斯空間分布。另外，調(diào)整脈沖持續(xù)時間對切換效率影響不大，即使在提高起始溫度的情況下也是如此。此外，Si3N4 插層對切換過程至關(guān)重要，去除此層會明顯減少切換效率，而增加其厚度則保持了高達100%的切換效率。最后，實驗表明，即使使用橢圓偏振度僅為15°的紅外宏脈沖，也可以成功實現(xiàn)切換。綜合這些結(jié)果，研究人員揭示了光學(xué)和界面層參數(shù)對手性依賴磁化切換效率的影響，為進一步理解和利用這一超快光學(xué)效應(yīng)提供了重要線索。 圖3. 切換效應(yīng)對光學(xué)和層間參數(shù)的依賴。
總結(jié)展望
本研究揭示了利用超快聲子瓶頸效應(yīng)來遠程操縱磁化的新機制。通過共振激發(fā)基底中的圓偏振高頻聲子，我們實現(xiàn)了對磁性納米層磁化狀態(tài)的精確控制，這種控制不僅僅取決于光的手性，而且?guī)缀醪皇艽判圆牧系奶匦杂绊憽＿@一發(fā)現(xiàn)不僅為超快磁性控制提供了新的途徑，而且還揭示了基底聲子在調(diào)控納米尺度磁性行為中的重要作用。此外，我們的研究還突顯了TO聲子在超快貝涅效應(yīng)中的關(guān)鍵作用，以及在特定頻率下LO聲子的反直覺行為。這為設(shè)計新型的光控磁性器件提供了新的思路，并有望在磁性存儲、自旋電子學(xué)和量子信息處理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 Davies, C.S., Fennema, F.G.N., Tsukamoto, A. et al. Phononic switching of magnetization by the ultrafast Barnett effect. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07200-x
