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Dmitry Turchinovich教授（左）与Wentao Zhang展示了测试磁态超快变化的方法。
研究人员测定了涉及超快电子和声学过程的铁纳米膜中的磁化动力学信息。
《自然·通讯》杂志8月25日发文称，来自德国比勒费尔德大学、瑞典乌普萨拉大学、法国斯特拉斯堡大学和上海科技大学等机构的研究人员通过观测伴随磁化变化的太赫兹辐射，精确测定了材料中磁性状态的超快变化。
磁存储器不仅需要通过缩小磁位尺寸获得更大的容量，运行速度也越来越快。原则上讲，磁位是可以翻转的：在近1皮秒的超短时间尺度上，磁位的0/1状态能够快速切换。这使得磁存储器能够以太赫兹频率运行，并对应极高的数据率。比勒费尔德大学物理学教授Dmitry Turchinovich博士解释说：“真正的挑战在于，如何能够迅速而灵敏地探测出相关的磁场变化。现有探测方法存在明显缺陷，如需要超高真空条件，无法对封装材料进行测试等。我们希望利用电动力学的基本原理应对这一挑战——材料磁化强度的变化必然导致电磁辐射的发射，后者包含了磁化强度变化的全部信息。如果材料的磁化强度是在皮秒尺度上发生变化，那么发射出的辐射将属于太赫兹频率范围。然而，这种‘磁偶极辐射’非常微弱，很容易被其他来源的光辐射所掩盖。”论文作者、博士生Wentao Zhang补充说：“经过不懈努力，团队最终成功分离出了磁偶极太赫兹辐射，这使得我们能够可靠地在封装铁纳米膜中重建超快磁化动力学。”
实验中，研究人员向铁纳米膜发送了极短的激光脉冲，使其快速退磁。同时，他们收集了退磁过程中发射出的太赫兹光。通过分析太赫兹辐射，研究人员得到了铁纳米膜中磁态的精确时间演化。Turchinovich教授说：“分析完成后，我们发现实际所得远超预期。在激光照射下，铁会快速退磁。此时，我们观测到了一个附加信号。虽然它很弱小，但对磁化动力学来讲已经非常清晰。附加信号来自铁的退磁过程——实际上，它是在高速声波脉冲通过样品时产生的。声音从何而来？答案很简单，铁纳米膜吸收激光时，不仅退磁，还升温了。大多数材料受热时会膨胀，铁纳米膜在膨胀时发射了太赫兹超声波脉冲。声波脉冲在样品内部和外部边界之间来回‘跳动’，产生回声。而当回声通过铁纳米膜时，声波压力会迫使铁原子产生微弱移动，进一步削弱材料磁性。此前，从未有人在如此短的时间尺度上观测到这种效应。”
项目理论研究负责人、乌普萨拉大学物理学教授Peter M. Oppeneer博士说：“我们很高兴能观测到声音驱动的超快磁化信号。它很清晰，且非常强大。”Oppeneer教授的同事Pablo Maldonado博士完成了至关重要的数值计算任务。他补充说：“实验数据和第一原理理论计算结果几乎完美匹配。这证实我们的测试方法确实非常精确，也足够灵敏——因为我们能够清楚区分不同来源的超快磁信号。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：alone
责编：Max
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://phys.org/news/2020-08-method-track-ultrafast-magnetic-state.html
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