激光脉冲在稀土钛酸盐中的铁磁性的三倍转变温度

YTiO3中的磁旋被太赫兹光同步化，导致了更强和更高温度的铁磁相。资料来源：Jörg Harms, MPSD

德国和美国的研究人员首次表明，太赫兹（THz）光脉冲可以在超过其通常转变温度三倍的温度下稳定晶体中的铁磁性。正如该研究小组在《自然》杂志上报告的那样，使用仅数百飞秒长的脉冲（十亿分之一秒的百万分之一），在高温下在稀土钛酸盐YTiO3中诱导出一种铁磁状态，该状态在光照射后持续了许多纳秒。在平衡过渡温度以下，激光脉冲仍然加强了现有的磁性状态，使磁化程度提高到理论极限。

利用光来控制固体中的磁性是一个很有前途的未来技术平台。今天的计算机主要依靠电荷的流动来处理信息。此外，数字记忆存储设备利用了必须切换外部磁场的磁位。这两个方面都限制了当前计算系统的速度和能源效率。使用光来代替光学切换存储器和计算设备可以彻底改变处理速度和效率。

YTiO3是一种过渡金属氧化物，只有在27K或-246℃以下才会变成铁磁性，其特性类似于冰箱里的磁铁。在这些低温下，钛原子上电子的自旋向一个特定的方向排列。正是这种自旋的集体排序使整个材料具有宏观的磁化，并使其变成铁磁性。相反，在27K以上的温度下，单个自旋随机波动，因此没有铁磁性的发展。

利用德国汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）开发的强大的太赫兹光源，研究小组成功地在YTiO3中实现了铁磁性，温度高达近100K（≅193℃），远远高于其正常转变温度。光诱导的状态也持续了许多纳秒。强烈的光脉冲旨在以协调的方式 "摇动 "该材料的原子，使电子能够对齐它们的自旋。

"脉冲的频率被调整为驱动YTiO3晶格的特定振动，称为声子，"主要作者Ankit Disa解释说。"我们发现，当我们以9太赫兹的自然频率激发一个特定的声子时，自旋的集体秩序和电子的轨道被修改，导致了对铁磁状态的更大倾向。当驱动其他声子时，我们观察到完全不同的结果： 在4太赫兹激发一个声子实际上会恶化铁磁性，而在17太赫兹激发一个声子会增强铁磁性--但不像9太赫兹声子那样强烈。

在通常的过渡温度27K以下，9THz声子的激发大大增加了磁化，将其提高了约20%，达到了理论最大值--这是迄今为止尚未达到的水平。

这些实验中使用的太赫兹源提供了强烈的脉冲，并且能够激发材料中一个非常狭窄的频率区域，使其成为一个极其精确的工具。它已经被部署在其他几个由MPSD领导的关于光增强超导性和磁性的研究中。然而，这项工作首次揭示了通过激发一系列晶格振动可以产生质量上不同的效果。

除了加深科学家对强烈和超快的光-物质相互作用的理解之外，这些结果是实现磁性元件的光学控制的重要垫脚石。"MPSD凝聚态物质动力学部主任Andrea Cavalleri解释说："这项工作不仅展示了按需开关磁性，它还让我们预见到了在超高速存储和处理信息方面可以做什么。

"除了这个演示，我们的工作还强调了在无序的、波动的物质相中创造秩序的能力，类似于用光来冻结水。控制这些过程一直是我们小组的一个长期目标。多年来，我们已经报告了一些其他的实现，包括光诱导高温超导和光诱导铁电性。
参考资料：A. S. Disa et al, Photo-induced high-temperature ferromagnetism in YTiO3, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05853-8