跟踪磁态超快速变化的新方法

来自比勒费尔德大学，乌普萨拉大学，斯特拉斯堡大学，上海科技大学，马克斯·普朗克聚合物研究所，苏黎世联邦理工学院和柏林自由大学的国际物理学家团队已经开发出一种精确的方法来测量超快变化材料中的磁性状态。他们通过观察必然伴随着这种磁化变化的太赫兹辐射的发射来做到这一点。他们的题为“超快太赫兹磁法”的研究今天在《自然通讯》上发表。

磁存储器不仅通过缩小磁位的大小来获得越来越大的容量，而且还在变得越来越快。原则上，磁性位可以翻转，即可以在不到1皮秒的极快时间范围内将其状态从一改变为零，反之亦然。一皮秒(1 ps = 10 -12 s)是一百万分之一秒的百万分之一。这可以使磁存储器以太赫兹(1 THz = 1 x 10 12 Hz)的开关频率工作，这对应于每秒极高的太比特(Tbit / s)数据速率。

比勒费尔德大学物理学教授，这项研究的负责人德米特里·图尔琴诺维奇博士解释说：“实际的挑战是要能够足够快速，灵敏地检测到这样的磁化强度变化。” “现有的超快方法磁力计均具有某些明显的缺点，例如仅在超高真空条件下操作，无法对封装材料进行测量等。我们的想法是使用电动力学的基本原理。这表明，材料磁化强度的变化必须导致发出包含有关该磁化强度变化的全部信息的电磁辐射。如果材料中的磁化强度在皮秒级的时间范围内变化，则发出的辐射将属于太赫兹频率范围。问题是，这种辐射被称为“磁偶极子发射”，非常微弱，很容易被其他来源的光所掩盖。”

张文涛，博士 德米特里·图尔奇诺维奇教授的实验室学生，发表论文的第一作者说：“这花了我们很多时间，但最终我们成功地精确地隔离了这种磁偶极太赫兹发射，这使我们能够可靠地重建样品中的超快磁化动力学。 ：封装的铁纳米膜。”

在他们的实验中，研究人员将非常短的激光脉冲发送到铁纳米膜上，从而使它们很快退磁。同时，他们正在收集在这种消磁过程中发出的太赫兹光。对这种太赫兹发射的分析得出了铁膜中磁态的精确时间演变。

Dmitry Turchinovich继续说道：“分析完成后，我们意识到实际看到的东西远远超出了我们的预期。” “一段时间以来，人们已经知道铁在被激光照射时会很快退磁。但是我们还看到了一个相当小的磁化动力学信号，但信号非常清晰。这让我们所有人都很兴奋。该信号很简单：当铁膜吸收了激光后，不仅被消磁，而且还变成了铁。众所周知，大多数材料在变热时都会膨胀-铁纳米膜的这种膨胀在我们的样品结构内发出了太赫兹超声脉冲。这种声音脉冲在内部和外部的样本边界之间来回反弹，就像一个大大厅的墙壁之间的回声一样。而且，每次回声穿过铁纳米膜时，声音的压力都会使铁原子稍微移动一点，这进一步削弱了材料中的磁性。”在如此超快的时间尺度上，从未见过这种效应。

“我们很高兴看到如此清晰的声驱动超快磁化信号，而且信号强度如此之高。令人惊讶的是，用波长小于1毫米的太赫兹辐射检测到这种信号效果很好，因为铁膜的膨胀仅为数十飞米(1 fm = 10 -15m)缩小了十个数量级，”领导这项研究的理论部分的乌普萨拉大学物理学教授Peter M. Oppeneer博士说。PeterM. Oppeneer的同事Pablo Maldonado博士对解释这项工作中的观察结果至关重要的数值计算补充说：“我发现极为令人兴奋的是，实验数据与我们的第一原理理论计算几乎完美匹配。这证实了我们的超快太赫兹磁力测定的实验方法确实非常准确并且也足够灵敏，因为我们能够清楚地区分不同来源的超快磁信号：电子和声学。”

该出版物的其余合著者将其献给了其同事以及斯特拉斯堡大学的Eric Beaurepaire博士，以纪念他们的同事以及超快磁性领域的先驱。他是这项研究的发起人之一，但在研究的最后阶段去世了。

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