强烈的激光在几秒钟内将固体磁化

a 六边形BiH晶格和超快磁开启的说明--强烈的飞秒激光脉冲照射到材料上，激发电子电流，通过自旋-轨道相互作用诱导磁化和自旋翻转。 b 有SOC和无SOC的BiH带结构（红色和蓝色带分别表示占用和未占用的状态）。c 计算的自旋期望值，<Sz(t)>，由圆偏振脉冲驱动的几个驱动强度（波长为3000纳米）。驱动场的X分量以任意单位表示，以表达动力学中的不同时间尺度。资料来源：npj计算材料（2023）。DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7

强烈的激光可以在固体中以阿秒级的速度诱发磁性--这是迄今为止最快的磁性反应。这是位于德国汉堡的马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所的理论家们得出的结论，他们使用先进的模拟技术来研究几种二维和三维材料的磁化过程。

他们的计算结果表明，在有重原子的结构中，由激光脉冲引发的快速电子动力学可以转化为阿秒级的磁性。这项工作已经发表在npj计算材料杂志上。

该小组集中研究了几个基准的二维和三维材料系统，但其结果适用于所有包括重原子成分的材料。"重原子尤其重要，因为它们会引起强烈的自旋-轨道相互作用，"主要作者Ofer Neufeld解释说。"这种相互作用是将光诱导的电子运动转化为自旋极化的关键，换句话说，转化为磁性。否则，光根本不会与电子的自旋相互作用。"

就像微小的罗盘针一样，电子也可以被想象为有一个内部的针，指向空间的某个方向，例如 "向上 "或 "向下"--所谓的 "自旋"。每个电子的自旋方向取决于它周围的化学环境，例如它能看到哪些原子以及其他电子的位置。在非磁性材料中，电子在各个方向上的自旋是相同的。相反，当单个电子的自旋相互对齐，指向同一方向时，材料就会变得具有磁性。

理论家们着手研究当固体与强烈的线性极化激光脉冲相互作用时，会发生什么样的磁性现象，这些脉冲通常在物质内部以非常快的时间尺度加速电子。"诺伊费尔德说："这些条件是令人着迷的探索，因为当激光脉冲具有线性偏振时，它们通常被认为不会引起任何磁性。

出乎意料的是，他们的模拟显示，这些特别强大的激光器确实能使材料磁化，尽管这种磁化是短暂的--它只持续到激光脉冲关闭。然而，最引人注目的发现是这个过程的速度： 磁化在极短的时间尺度上演化，不到500阿托秒--这是有史以来最快的磁反应的预测。就规模而言，一个阿托秒对一秒钟来说，就像一秒钟对大约320亿年一样。

使用先进的模拟工具来解释基本机制，研究小组表明，强光使电子的自旋来回翻转。激光在几百个阿托秒的时间内有效地将电子加速到类似圆形的轨道上。这些强烈的自旋-轨道相互作用然后使自旋方向一致。

这个过程可以被想象为一个保龄球在一个表面上滑动，然后开始滚动： 在这个比喻中，光把球推来推去，而自旋轨道相互作用（当电子围绕它运行时，从附近的重核中产生的一种力）使它来回滚动，使它磁化。这两种力共同作用，使球滚动起来。

诺伊费尔德说："我们发现这是一个高度非线性的效应，可以通过激光的特性进行调整。这些结果暗示，尽管没有明确证明，磁化的最终速度极限是几十秒，因为这是电子运动的自然速度极限"。

在一系列材料的基本层面上理解这些光诱导的磁化过程是朝着开发超快记忆设备迈出的关键一步，并改变了目前对磁学的理解。

参考资料

Ofer Neufeld et al, Attosecond magnetization dynamics in non-magnetic materials driven by intense femtosecond lasers, npj Computational Materials (2023). DOI: 10.1038/s41524-023-00997-7