激光脉冲实现特殊铁磁体极性翻转

来源：科技日报

科技日报记者 张梦然

瑞士巴塞尔大学和苏黎世联邦理工学院研究团队取得一项突破：他们通过激光束成功实现了一种特殊铁磁体的极性翻转。这项进展为未来开发可调谐的光电子电路提供了潜在可能。研究发表于最新一期《自然》杂志。

铁磁体中的磁力源于电子自旋的有序排列。每个电子的自旋都会产生微弱磁场，当所有电子自旋方向趋于一致时，材料整体便呈现出宏观磁性。这种排列通常需要克服内部热运动的无序影响，只有当材料温度低于某一临界值时，铁磁性才能稳定存在。

传统上，若要改变铁磁体的磁极方向，往往需要先将其加热至临界温度以上，使电子自旋得以重新定向，再冷却固定新的磁化方向。然而，此次研究表明，仅通过光照即可实现这一极性翻转过程，无需依赖整体加热。

研究团队使用了一种特殊的层状材料——两层轻微扭曲的二维有机半导体钼二碲化物。在这种材料中，电子可以形成所谓的拓扑态，其特性可通过几何形态类比来理解。如同球体与环面之间的本质区别，拓扑态具有稳定且明确的定义，不易被连续变形所改变。

实验中，团队通过调控使电子在绝缘态与金属态之间转变。由于电子间的强相互作用，在这两种状态下电子自旋均保持平行排列，从而使材料整体表现为铁磁性。关键在于，他们利用激光脉冲实现了整个铁磁体自旋方向的集体翻转。

这一转变是永久性的，并且材料的拓扑性质对翻转的动态过程产生了影响。通过控制激光，团队还能在材料中“绘制”出不同拓扑铁磁态的边界，并实现对其拓扑与磁性的动态调控。

为了验证极性翻转的效果，团队使用另一束较弱激光探测材料表面的反射光特性，通过光学信号辨析出自旋方向的改变。

这项技术为在微芯片上光学写入可重构的拓扑电路开辟了新路径。未来，基于该方法有望制备微型干涉仪等器件，用于极弱电磁场的高精度测量。

总编辑圈点

通常来说，如果想改变磁铁的磁性方向，需要先把它加热到很高温度，打乱内部秩序，再让其冷却，磁性才能在新的方向上固定下来。此次科研人员用了一种特殊的扭曲的双层半导体，只需一道激光，就能翻转铁磁体的自旋方向，而且是永久翻转。激光成了神奇画手，能改变南北，还能划定不同磁性区域的边界。这种快速翻转磁性的方法，为开发可调谐、可重构的光电子芯片和电路奠定了基础，也有望帮我们造出精巧灵敏的磁场测量仪器。