光操控反鐵磁材料實現磁態轉換

科技日報北京12月22日電 （記者張佳欣）反鐵磁材料在信息處理與內存芯片技術領域具有廣泛應用前景。據最新一期《自然》雜誌，美國麻省理工學院科研團隊僅使用光就在反鐵磁材料中實現了磁態轉換，創造出一種新型且持久的磁態。這一技術為研究人員提供了控制磁性的強大工具，有助於設計更快、更小、更節能的內存芯片。

反鐵磁體由自旋方向交替的原子組成，每個原子的自旋方向都與其相鄰原子的自旋方向相反。這種上、下、上、下的順序基本抵消了自旋，使反鐵磁體總磁化強度為零，從而不受任何磁力影響。

如果能用反鐵磁材料製成內存芯片，就可將數據“寫入”材料的微觀區域，即磁疇。在給定磁疇中，自旋方向的某種配置（例如，上—下）代表經典的比特“0”，而另一種配置（下—上）則代表“1”。在這樣的芯片上寫入數據，能抵禦外部磁場的干擾。

由於磁疇的穩定性，反鐵磁體可整合到未來的內存芯片中，使這些芯片能耗更少、佔用空間更小，同時存儲和處理的數據更多。然而，將反鐵磁材料應用於存儲技術的一個主要障礙在於，如何以可靠方式控制反鐵磁體，使其從一種磁態轉換到另一種磁態。

此次，團隊使用太赫茲激光器直接刺激反鐵磁材料中的原子。激光器的振盪頻率被調至與材料原子間的自然振動相匹配，從而改變原子自旋的平衡，使其向一種新的磁態轉變。

所用材料為FePS3——一種在臨界温度（約118K）時轉變為反鐵磁相的材料。他們將合成的FePS3樣品置於真空室中，冷卻至118K及以下温度。然後，他們讓一束近紅外光穿過有機晶體，將光轉換為太赫茲頻率，從而產生太赫茲脈衝。之後，他們將這束太赫茲光對準樣品。

在多次重複實驗中，團隊觀察到，太赫茲脈衝成功地將原本為反鐵磁性的材料切換到了一個新的磁態。這一轉變出乎意料地持久，甚至在激光關閉後仍能持續數毫秒。

【總編輯圈點】

與傳統磁性材料相比，新型磁性材料往往具備更卓越的磁性能，如更高的磁導率、更低的損耗等。它們為電子元器件領域注入了新的活力與無限可能。例如，我們的手機變焦鏡頭通過微型電機來運轉，這種電機裏就有數顆米粒大小的稀土永磁材料。在磁存儲領域，上述研究中的反鐵磁材料則有望改善存儲芯片的設計。不斷湧現的新型磁性材料，正推動電子元器件朝更小尺寸、更高性能、更低功耗方向升級，為各類電子設備持續迭代提供重要支撐。