研究背景
近年来，磁性材料领域中巴尼特效应是一个备受关注的领域，因为它描述了当惯性物体在机械旋转时，其原本为零的净磁矩会获得自发磁化的现象。这一现象的探索成为了研究的焦点，特别是在理解和利用超快光学效应方面。随着时间的推移，科学家们发现了一种令人振奋的现象：超短激光脉冲可以在数百飞秒内摧毁有序铁磁体的磁化，这是一项突破性的实验成果。而这一过程中，自旋失去角动量并转移到圆偏振光学声子上，作为超快爱因斯坦-德哈斯效应的一部分。然而，虽然已经取得了重要进展，但利用高频率晶格振动来在邻近的磁性介质中切换磁化的前景尚未得到实验探索。为了解决这一问题，荷兰尼梅亨大学费利克斯实验室C. S. Davies等科学家联合通过共振激发顺磁基底中的圆偏振光学声子，他们成功地临时获得了自发磁化，从而实现了利用超快巴尼特效应来切换磁化的目标。这一方法的关键在于选择性地驱动位于顺磁基底中的声子，使其产生微观的螺旋振荡，并通过巴尼特效应导致宏观磁化的出现。而通过调节声子的手性，他们成功地控制了磁化反转的方向。这项研究的突破意义在于，切换过程由基底介导，并且不依赖于感兴趣的磁性材料的特性，因此具有很高的普适性，有望在通用尺度上操纵磁序。最终相关成果发题为“Phononic switching of magnetization by the ultrafast Barnett effect” 在Nature上。
研究内容
在这项研究中，为了利用超快巴尼特效应远程切换磁化，研究人员进行了下图1的实验。他们首先通过图1a示意了圆偏振光学声子在顺磁基底中的共振激发，利用超快巴尼特效应诱导表面局部磁化。实验中使用的基础异质结构示意如图1b所示。然后，他们使用圆偏振的中红外光场，有选择性地共振驱动基底中的高频声子。实验结果如图1c所示，当使用特定极化的宏脉冲时，感兴趣的磁性材料表面形成了明显的磁化切换环，这一现象受到初始磁极性和光学手性的影响。随后，在图1d中，通过在样品上扫描圆偏振的宏脉冲，进一步展示了切换效应的手性依赖性。具体来说，在从左到右扫描时，环的左边缘单向切换了其路径上的所有磁域，形成了统一的光或暗的磁域轨迹。图1. 超快巴尼特效应的概念以及如何远程切换磁化。为了进一步了解激发频率的影响，研究人员调节了圆偏振宏脉冲的中心波长，并观察了切换效应。图2a和2b显示了在不同基底上的磁化切换谱依赖性。结果表明，在特定的波长范围内，手性依赖的切换效应最为显著。通过与基底的光谱吸收特征对比，发现切换效率与基底中的光学声子的频率吻合。这表明，声子的共振激发在切换过程中起着关键作用。此外，在玻璃陶瓷基底上的实验结果显示了不同的切换谱依赖性，这与该基底的光学特性相关。值得注意的是，在硅基底上的磁性异质结构则没有观察到手性依赖的切换效应，这是因为硅在这个频率范围内没有红外活性的光学声子。综上所述，这些实验结果为利用超快巴尼特效应实现远程磁化切换提供了重要的实验证据，并揭示了声子共振激发在该过程中的关键作用。 在这项研究中，为了探索蓝宝石基底异质结构中的手性依赖切换效率，研究人员进行了图3的实验，并将光学波长固定在 λ = 21 微米。首先，他们发现降低扫描速度会显著提高切换效率，使其接近100%。此外，切换效率在入射光强度超过一定阈值后趋于稳定，这是由于光学传递的热负载的高斯空间分布。另外，调整脉冲持续时间对切换效率影响不大，即使在提高起始温度的情况下也是如此。此外，Si3N4 插层对切换过程至关重要，去除此层会明显减少切换效率，而增加其厚度则保持了高达100%的切换效率。最后，实验表明，即使使用椭圆偏振度仅为15°的红外宏脉冲，也可以成功实现切换。综合这些结果，研究人员揭示了光学和界面层参数对手性依赖磁化切换效率的影响，为进一步理解和利用这一超快光学效应提供了重要线索。
总结展望
本研究揭示了利用超快声子瓶颈效应来远程操纵磁化的新机制。通过共振激发基底中的圆偏振高频声子，我们实现了对磁性纳米层磁化状态的精确控制，这种控制不仅仅取决于光的手性，而且几乎不受磁性材料的特性影响。这一发现不仅为超快磁性控制提供了新的途径，而且还揭示了基底声子在调控纳米尺度磁性行为中的重要作用。此外，我们的研究还突显了TO声子在超快贝涅效应中的关键作用，以及在特定频率下LO声子的反直觉行为。这为设计新型的光控磁性器件提供了新的思路，并有望在磁性存储、自旋电子学和量子信息处理等领域有广泛的应用前景。 Davies, C.S., Fennema, F.G.N., Tsukamoto, A. et al. Phononic switching of magnetization by the ultrafast Barnett effect. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07200-x
