超快激光脉冲驱动自旋排列，增强钛酸盐晶体的磁性，扩展更高温度

图注：（左）在平衡时，YTiO3在三种不同的基态之间随机交替，材料中的任何自旋排列都会迅速混乱。通过用太赫兹激光脉冲驱动晶体，这些自旋可以重新同步和稳定，从而产生磁秩序。（右）所获得的非平衡磁化（蓝色圆圈）取决于温度，并延伸至至少80K，远高于非平衡情况（灰色实线）。

钛酸钇晶体是相对较弱的磁铁。当温度在零K时，微小的量子涨落削弱了材料磁性所依赖的电子和自旋的微观排列。当温度在27K时，磁性完全消失。德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的Andrea Cavalleri和他的合作者使用强太赫兹激光脉冲，不仅提高了YTiO3的磁性，而且将其保存在高于80K的温度下。该方法可以使研究人员制造出可以产生或破坏磁性的光激活开关。Cavalleri说，这种能力最终可能会导致存储设备能够以“比以往任何时候都更快的速度”对0或1进行编码。

抑制YTiO3磁性的低温波动的出现是因为晶体在三种不同的基态之间随机交替。反过来，这些状态的出现是因为钛原子有一个可以从三个不同轨道中选择的价电子。当晶体在这些简并态之间交替时，价电子自旋之间的任何对齐都会丢失。Cavalleri 说:“游戏的名称是消除这些退化并使其成为三个轨道中的一个。大自然不会给你这样的东西。”

目前的工作源于2007年的一项研究，在该研究中，Cavalleri和他的团队报告使用太赫兹激光脉冲将晶格扭曲成有利于特定基态。脉冲激发了特定的量子化振动——声子——改变了晶体的电子状态，导致电阻瞬态下降5个数量级。

在他们的新实验中，研究人员选择了三种激光频率，它们分别耦合到YTiO3中几种可能的晶格畸变中的一种。使用磁光泵浦探针装置，他们检查了每种激发如何影响晶体的结构及其磁性。具体来说，他们观察了从相反方向观察时，晶体反射的光的偏振是否发生了变化。反射光偏振的顺时针-逆时针偏移将是时间反演不变性的明确标志，这仅在存在磁序的情况下才会发生。

他们发现，调谐到9THz声子频率的超快激光脉冲会导致YTiO3晶体在刚好高于零K时完全磁化。然后他们表明，这个阶数不会在27K时消失，而是在至少80K 时保持稳定，他们测得的最高温度。更重要的是，磁性持续了许多纳秒，比飞秒长的激光脉冲长6个数量级。该团队将这种持久状态归因于激光沉积能量引起的结构变形的稳定性。

荷兰拉德堡德大学研究超快磁性的阿列克谢·基梅尔 (Alexey Kimel) 说，实现自旋有序持续存在的这种温度升高是“巨大的”。其他使用光驱动方法在磁性半导体中实现有序的研究人员报告称，温度升高了约1%。相比之下，Cavalleri和他的同事实现了300%的增长。加州理工学院研究量子材料超快控制的David Hsieh指出，之前的大部分努力都集中在抑制或转换预先存在的磁序上。“这项新工作表明，使用光来抑制电子波动可能是增强材料中电子有序倾向的一般策略。”

该研究于5月3日发表在《自然》杂志。

DOI:10.1038/s41586-023-05853-8