二维铁磁体的飞秒自旋翻转 | 进展

电子自旋作为固体材料中的基本自由度之一，是发展新一代自旋电子学器件的重要信息载体。相比于传统电荷电子学，自旋电子学具有功耗低、速度快、集成度高等优势。超快激光脉冲有望实现自旋序在皮秒甚至亚皮秒尺度内的高效操控，推动超高速信息处理和新型量子器件的发展。然而，人们对在超短激光驱动的强非平衡条件下自旋、电子与晶格自由度之间复杂的耦合动力学仍缺乏了解。

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博士生武娜（现为德国马普所博士后）、王恩等人在王亚娴副研究员、孟胜研究员的指导下，利用自主发展的实时含时密度泛函理论和Ehrenfest分子动力学相结合的方法，系统研究了二维巡游铁磁体 Fe₃GeTe₂中光诱导的超快自旋动力学过程，在理论上成功实现了飞秒尺度的光诱导自旋翻转，并揭示了相干声子在其中的关键作用机制。研究发现，在近红外激光激发条件下，体系磁矩可在约300飞秒时间尺度内发生翻转；同时随着激光强度变化，体系可进入退磁、自旋翻转以及自旋熔化三种不同的磁动力学调控区域，建立了全光学调控磁相变的相图。

图1.光激发下单层二维磁体Fe₃GeTe₂中晶格与磁性动力学的耦合演化。

进一步研究表明，该超快自旋翻转过程来源于非平衡电子激发与特定对称性的 A1g相干声子模式之间的协同作用。其中，相干 A1g声子通过降低自旋翻转能垒促进磁矩反转，而非平衡电子占据则打破自旋上下态之间的简并性，使体系能够跨越能垒实现超快自旋翻转。同时，自旋翻转过程中体系的 Berry 曲率分布及 Chern 数符号发生反转，表明其瞬态能带的拓扑性质发生变化，揭示了非平衡电子结构与超快磁动力学之间的密切关联。不同于圆偏光操控电子自旋的方案，该研究提出了一种基于单模相干线性声子协同驱动的飞秒尺度自旋反转的新机制，为发展超快自旋电子学器件提供了重要的理论依据。

相关成果以“Photoinduced femtosecond spin-flip assisted by a single-mode linear phonon”为题发表在Science Advances。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委项目、中国科学院、北京市科技新星计划的资助。

编辑：冰糕