麻省理工学院的物理学家利用太赫兹光在反铁磁材料中发现了一种新的磁性状态，为抗磁干扰的革命性存储技术打开了大门。

通过将光振动微调到原子水平，他们创造了一种超越即时影响的磁性状态，这预示着未来在强大的数据存储和高效处理方面的应用。

利用太赫兹光进行磁控制

麻省理工学院的物理学家们发现了一种方法，可以在一种材料中仅使用光就能产生一种新的、持久的磁性状态。

在《自然》杂志上发表的一项研究中，研究人员使用太赫兹激光 —— 一种每秒振荡超过一万亿次的光 —— 直接影响反铁磁材料中的原子。通过精确调整激光的振荡以匹配材料原子的自然振动，他们能够改变原子自旋的排列，从而产生新的磁性状态。

这一突破为控制和切换反铁磁材料提供了一种新方法，对推进信息处理和存储芯片技术具有重要作用。

在被称为铁磁体的普通磁铁中，原子的自旋指向同一个方向，在某种程度上，整个原子很容易受到任何外部磁场的影响，并被拉向同一个方向。相反，反铁磁体是由具有交替自旋的原子组成的，每个原子都指向与其相邻原子相反的方向。这种上、下、上、下的顺序基本上抵消了自旋，使反铁磁体的净磁化强度为零，不受任何磁拉力的影响。

存储芯片技术的潜力

如果可以用反铁磁材料制成存储芯片，那么数据就可以被“写入”到这种材料的微观区域，也就是所谓的畴中。在给定的域中，自旋方向的某种配置（例如，上下）将表示经典位“0”，而另一种配置（向上向下）将表示“1”。写在这种芯片上的数据可以抵抗外部磁场的影响。

由于这个和其他原因，科学家们认为反铁磁性材料可能是现有磁性存储技术更强大的替代品。然而，一个主要的障碍是如何以一种可靠地将材料从一种磁性状态转换为另一种磁性状态的方式来控制反铁磁体。

“反铁磁材料是坚固的，不受不必要的杂散磁场的影响，”麻省理工学院唐纳物理学教授Nuh Gedik说。“然而，这种健壮性是一把双刃剑；它们对弱磁场不敏感，使得这些材料难以控制。”

使用精心调谐的太赫兹光，麻省理工学院的研究小组能够控制地将反铁磁体切换到新的磁性状态。由于磁畴的稳定性，反铁磁体可以被整合到未来的存储芯片中，在使用更少的能量和占用现有设备空间的一小部分的情况下存储和处理更多的数据。

“一般来说，这种反铁磁材料不容易控制，”Gedik说。“现在我们有一些旋钮可以调整和调整它们。”

Gedik是这项新研究的资深作者，该研究还包括麻省理工学院的合著者Batyr Ilyas、Tianchuang Luo、Alexander von Hoegen、Zhuquan Zhang和Keith Nelson，以及德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所、西班牙巴斯克大学、首尔国立大学和纽约熨斗研究所的合作者。

开拓量子材料新技术

Gedik在麻省理工学院的小组开发了操纵量子材料的技术，其中原子之间的相互作用可以产生奇异的现象。

Gedik说：“一般来说，我们用光激发材料，以更多地了解是什么使它们从根本上结合在一起。”“例如，为什么这种材料是反铁磁体，有没有一种方法可以扰乱微观相互作用，使其变成铁磁体？”

在他们的新研究中，研究小组使用了FePS3 —— 一种在118开尔文（-247华氏度）左右的临界温度下转变为反铁磁相的材料。

研究小组怀疑他们可以通过调节原子振动来控制材料的转变。

“在任何固体中，你都可以把它想象成周期性排列的不同原子，原子之间是微小的弹簧，”von Hoegen解释说。“如果你要拉一个原子，它会以一个特征频率振动，通常发生在太赫兹范围内。”

实际应用及未来影响

原子振动的方式也与它们的自旋相互作用有关。研究小组推断，如果他们可以用与原子集体振动频率相同的太赫兹源（称为声子）来刺激原子，这种效应也可以推动原子的自旋偏离其完美平衡的磁交替排列。一旦失去平衡，原子在一个方向上的自旋就会比另一个方向上的自旋更大，从而产生一个更优的方向，将原本不磁化的材料转变为具有有限磁化强度的新磁性状态。

Gedik说：“这个想法可以一石二鸟：你激发原子的太赫兹振动，它也与自旋耦合。”

为了验证这个想法，研究小组使用了由首尔国立大学（Seoul National University）的大学合成的FePS3样本。他们将样品放在真空室中，并将其冷却到118 K以下。然后，他们将一束近红外光射入有机晶体，产生太赫兹脉冲，将光转换成太赫兹频率。然后他们将太赫兹光指向样品。

“这个太赫兹脉冲是我们用来在样品中产生变化的，”Tianchuang Luo说。“这就像在样本中‘写入’一个新的状态。”

为了证实脉冲触发了材料磁性的变化，研究小组还将两束近红外激光对准样品，每束激光都具有相反的圆偏振。如果太赫兹脉冲没有影响，研究人员应该看到发射的红外激光的强度没有区别。

“仅仅看到不同就告诉我们，材料不再是原来的反铁磁体，我们正在诱导一种新的磁性状态，本质上是通过使用太赫兹光来震动原子，”Batyr Ilyas说。

对未来研究的总结

经过反复的实验，研究小组观察到，太赫兹脉冲成功地将先前的反铁磁性材料转变为新的磁性状态 —— 即使在激光关闭后，这种转变也持续了令人惊讶的长时间，超过几毫秒。

Gedik说：“人们以前在其他系统中看到过这些光诱导的相变，但通常它们存活的时间很短，大约是1皮秒，也就是万亿分之一秒。”

在短短几毫秒内，科学家们现在可能有一个不错的时间窗口，在它恢复到固有的反铁磁性之前，他们可以在此期间探测临时新状态的特性。然后，他们可能能够确定新的旋钮来调整反铁磁体，并优化其在下一代存储技术中的应用。

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