中红外光对磁各向异性的超快电子控制

大阪——现代信息技术中最重要的任务之一是控制磁铁的自旋方向。数据中心中使用的最先进的硬盘驱动器和大容量磁存储需要在固体中磁化以在纳秒内切换方向，对应于 GHz 频率，甚至更快的速度。对写入速度不断增长的需求促使研究人员对使用飞秒激光脉冲的光学技术进行广泛研究。

当近红外波长范围内非常短的强激光脉冲被磁铁吸收时，电子、晶格和自旋系统之间会发生复杂的能量交换，从而导致磁各向异性的改变。了解超快光激发后子系统之间的这种内部能量如何传递导致磁各向异性的变化对于实现高效和超快磁记录至关重要，未来将超过皮秒甚至飞秒。

在这项工作中，康斯坦茨大学、东京大学和大阪大学的研究人员表明，飞秒时间尺度下电子和晶格自由度的光激发导致原型弱铁磁体 Sm 中磁各向异性的明显不同的时间演化0.7Er0.3FeO3。

这种稀土正铁氧体表现出所谓的自旋重定向转变 (SRT)，其中在临界温度下发生自旋方向的变化。通过用强烈的、共振调谐到声子频率的飞秒中红外激光脉冲照射样品并探测由于自旋重定向引起的超快自旋动力学，发现 SRT 发生延迟。在这里，晶格相对缓慢的热化限制了自旋动力学。相反，当激发稀土 Sm3+离子的 4f 电子跃迁时，发现 SRT 动力学立即开始。

该结果表明磁各向异性通过纯电子变化而改变，而不会向晶格系统释放过多热量。数据表明，这种超快各向异性修改的速度达到了几十飞秒的时间尺度——比自旋动力学本身快得多。因此，4f 电子泵浦可以允许在未来在皮秒时间尺度以下运行的自旋电子器件中超快“触发”磁化切换。

“到目前为止，已经广泛研究了红外光激发后超快晶格加热的影响。然而，这是第一次在飞秒时间尺度上清楚地区分晶格和电子跃迁对超快磁各向异性的作用”，作者说。

由于含有稀土元素的过渡金属化合物是现代世界中使用最广泛的磁铁之一，这里展示的方案有望为一种新的非热途径铺平道路，以超快控制一个重要的自旋动力学的材料。

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