二维铁磁体的三步超快退磁 | 进展

当前人工智能等技术的迅猛发展对传统电子器件处理海量信息带来了空前的挑战。自旋电子学采用凝聚态体系中电子的自旋自由度作为信息载体进行操控， 有望成为改变未来电子学和信息技术发展方向的革命性技术之一。近年来，多频段、高场强、高重频的超快激光技术的发展为实现飞秒尺度的自旋操控开拓了崭新方向。另一方面，二维磁性材料在平衡态和非平衡态下展示出一系列新奇的物性与物态，深入研究其中的超快磁性动力学过程对未来低维超快自旋学器件的应用至关重要。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士生武娜、张圣杰、陈大强在王亚娴副研究员、孟胜研究员的指导下，利用组内自主开发的平面波基组含时密度泛函分子动力学软件（TDAPw），研究了单层巡游铁磁体Fe3GeTe2光激发下的超快退磁过程。

研究表明，Fe3GeTe2中飞秒尺度磁动力学表现出不同微观机制主导的“三步”特征（图1）。

图1. 三步超快退磁过程示意图

具体来说，飞秒脉冲激光作用的第一阶段（0~100fs），光激发电子借助自旋-轨道耦合导致体系面外方向（z方向）的退磁；

图2. 单层Fe3GeTe2飞秒尺度的磁性动力学模拟

在第二阶段（200~800fs），光激发产生的A1g相干声子，因其与自旋自由度之间的强耦合（图3），驱动了z方向磁矩的相干振荡（图2）；

图3.A1g声子与磁矩的强耦合作用

在第三阶段（800~1000fs），由面外声子与面内声子之间的高阶非线性作用驱动产生手性声子（图4），从而引起磁矩向x/y方向驰豫，类似于经典的自旋进动行为。

图4. 手性声子的激发与自旋进动

此外，该工作首次展示了非绝热效应将导致声子硬化，并减弱自旋-声子相互作用，证实了非绝热效应在非平衡态中有着重要影响（图5）。这项工作揭示了非平衡条件下电子-自旋-晶格相互作用微观机制，并为研究自旋波相干激发、光-手性声子-磁振子之间的角动量转移提供了重要启示。

图5. 非绝热效应将导致声子硬化并减弱自旋-晶格相互作用

相关成果以“Three-stage ultrafast demagnetization dynamics in a monolayer ferromagnet”为题发表在Nat. Commun. 15, 2804 (2024)。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中国科学院的资助。

编辑：阿泊

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