超快激光通过非热机制调控Cr₂Ge₂Te₆铁磁性

尽管磁化以更平凡的用途而闻名，例如把便签贴在冰箱上或封住袋子，但它仍是材料最基本、最有用的性质之一。事实上，它构成了我们存储大部分数字信息的物理基础，编码着硬盘、计算机存储器和信用卡中使用的比特。

在 一项新研究中，发表于期刊 Nature Communications，伊利诺伊州的研究人员发现了一种非侵入式方法，可在万亿分之一秒的时间尺度上控制铁磁半导体碲化铬锗（Cr₂Ge₂Te₆，简称 CGT）的磁化。他们的技术利用超快激光脉冲随时间引导 CGT 的磁化方向，借助一种将其传导电子与磁态耦合的效应。

磁化的光学控制具有优势

材料的磁性产生于被称为磁偶极子的亚原子“箭头”组合形成一个称为磁化的净量，该净量沿平均偶极子方向指向，就像宏观的罗盘指针一样。在数字存储介质中，不同的磁化取向被用来将信息编码为比特。

当然，这些比特不仅要被存储，还必须以受控的方式切换，例如修改计算机文件时。改变材料磁化的常规方法是施加外磁场，这可以重新取向磁化，就像罗盘与地球磁场对齐指向北方一样。

但前伊利诺伊大学物理研究生 Yinchuan Lv 表示，这些传统方法在切换速度上面临实际限制，这促使研究人员探索替代方案。

Lv 现为 SLAC 国家加速器实验室的博士后研究助理，他解释说：“用光控制磁化是当今应用物理学的前沿课题之一。超快激光脉冲可以在飞秒时间尺度上激发电子，从而有可能比传统方法快得多地操控磁态。”

然而，伊利诺伊大学物理教授 Fahad Mahmood 指出，尽管这些方法具有速度优势，“许多这类光学技术依赖于加热材料，或依赖于特定要求，例如使用圆偏振光。”

此外，光的电场主要通过电荷与材料的电子相互作用，而不是直接与材料的磁化相互作用。然而，在 CGT 等某些材料中，自旋-轨道相互作用——即把电子的本征磁偶极矩（自旋）与其轨道运动联系起来的相互作用——为光有效影响磁序提供了一条途径。

伊利诺伊大学物理博士后研究助理 Joe Meese 描述道：“CGT 的磁化对扰动特别敏感，并表现出强自旋-轨道耦合。一些实验表明，可以用圆偏振光探测 CGT 的磁行为，并有迹象表明非热光学过程正在起作用。”

然而，CGT 具有中心对称性，这意味着其原子围绕一个共同的中心点对称排列。这种对称性禁止光的电场与磁化之间某些类型的直接耦合，从而使得利用线偏振光控制磁化变得困难。

然而，自旋-轨道相互作用在 CGT 中依然存在，这为光影响其磁性的替代机制打开了大门。

强烈信号暗示一种出乎意料的机制

为了探究光是否能在中心对称性所施加的限制下控制磁化，Mahmood 的团队转向了发射光谱学。基本思路很简单：用激光脉冲轰击材料，然后观察材料响应所发出的光。

Lv 是首席实验人员，也是 Mahmood 的前学生，他评论道："我们用这项技术研究过许多磁性材料，而 CGT 实际上是我们原本不期望看到强信号的一种，因为它是中心对称的。然而事实证明，它的响应相当大——这完全出乎意料。"

事实上，当他们用线偏振的近红外（NIR）激光脉冲照射 CGT 样品时，样品发出了太赫兹（THz）频率范围的光。THz 信号还随入射 NIR 光束的偏振角、注量（时间平均强度）和样品温度而变化。

Mahmood 评论道："令我们惊讶的是这一信号的强度以及非常特定的偏振依赖性。偏振模式立即表明正在发生某种非常规的现象。"

例如，如果近红外光正对着样品直接照射，随着偏振角的改变，太赫兹发射信号呈现出四瓣花状图案。这种图案在不同样品温度和光通量下都持续存在。而如果近红外光改为以倾斜角度照射，四瓣减少为两瓣，且图案表现出对光通量的异常依赖性。

这种偏振依赖性提示，CGT 的磁化很可能就是太赫兹发射的来源。另一项测量结果尤其引人注目：他们并未在 CGT 的低温磁有序相中观察到强磁信号、而在高温磁无序相中观察到零信号，而是看到了相反的结果。

当研究人员提高样品温度时，信号反而增强了！事实上，即使样品温度超过了所谓的居里温度——超过该温度后 CGT 会完全失去磁性——信号仍在上升。

"CGT 的行为再次与我们的预期相反，正是这一点引起了我们所有人的注意，"Meese 说。

光通过非线性 Edelstein 效应与磁化相互作用

研究人员推测，近红外光的电场随时间改变着磁化，使其因经典电磁学效应而辐射出自身的光。但电场究竟是如何改变磁化的呢？

Mahmood 回忆道："我们最初考虑了几种可能性，包括激光诱导退磁以及其他光诱导机制。"

他们意识到，最可能的元凶是非线性 Edelstein 效应——这一现象使得电场与磁化能够在具有中心对称性的材料中通过线偏振光耦合在一起。CGT 的传导电子也发挥了关键作用。

像 CGT 这样的半导体之所以绝缘，是因为其电子被困在一系列低能态中。但只要输入一定的能量，例如频率合适的激光，电子就会跃迁到更高能态，在那里电子可以自由移动并导电。

他们推断，一旦激光将电子推入这些导电态，自旋轨道相互作用就会通过非线性 Edelstein 效应有效地产生自身的磁场——即所谓的 Edelstein-Zeeman 场——从而能够磁化 CGT。

正如 Meese 总结的那样："我们用光激发的电子最初与铁磁态的耦合非常微弱。当导电态规避了中心对称晶体在平衡态下通常所需的自旋轨道抵消时，非线性 Edelstein 效应便会出现。"

"铁磁态最终感受到的，正是由传导电子引起的这个 Edelstein-Zeeman 场。它对磁性的影响，本质上是由这种极其动态的光所产生的静态场。"

受这一推理思路的启发，研究人员将非线性 Edelstein 效应的方程应用于 CGT，从理论上表明光的电场会产生磁化。特别是，他们证明可以调节光的偏振角和注量来增强某些磁化分量，正如他们的数据所显示的那样。这些方程甚至再现了他们在实验中观察到的花瓣图案！

模型解释磁化对温度和注量的依赖关系

为了解释这些新观察结果，研究人员对其系统进行了建模，推导出一个称为自由能的量的公式。他们的模型表明，同时调节样品温度和光束注量会塑造自由能，形成磁化可以"落入"的势阱，就像小球在起伏的地貌中找到稳定的山谷安顿下来一样。根据势阱的位置和形状，磁化会获得不同的强度和取向。

此外，对模型进行模拟使团队能够对不同磁化取向随温度和注量的变化做出数值预测。

值得注意的是，该模型在正入射和倾斜角度实验中都与他们的数据精确吻合——这是强有力的证据，表明当用近红外光照射时，非线性 Edelstein 效应确实将 CGT 的传导电子与其磁态联系起来，正如他们所理论化的那样。

测试其他材料并可视化磁化动力学

这一发现为超快磁控制增添了一种新工具。太赫兹范围内的发射表明，磁化正在以万亿分之一秒的极快时间尺度切换，这是此前无人认为在 CGT 这类材料中可能实现的方法。至关重要的是，这种方法不会改变样品的温度，而这一直是科学家和工程师难以实现的目标。

Mahmood 强调：“其意义不仅在于速度，还在于机制，以及这种控制可能适用的材料范围。”

事实上，既然底层机制已被揭示，研究人员认为这项技术不仅适用于 CGT，还将适用于其他材料，包括偶极子取向方式与铁磁体不同的磁体。他们还希望直接监测磁化的时间演化。

Lv 承认：“我们仅凭这种太赫兹发射就读出了磁化状态。为了获得更具体的认识，未来的实验可能会包括直接可视化磁化动力学。”

出版详情

Yinchuan Lv 等，利用光驱动非线性 Edelstein-Zeeman 场调控铁磁性，Nature Communications (2026)。DOI: 10.1038/s41467-026-77965-4

这篇报道的幕后作者是谁？

Sadie Harley

生命科学与生态学学士。具备微生物实验室背景，并拥有石油、天然气和可再生能源行业的医药新闻经验。 完整简介 →

Robert Egan

数学生物学学士，创意写作硕士。游历广泛，对科学与语言有着独到的见解。 完整简介 →

引用： 超快光可在不依赖加热的情况下控制铁磁性（2026年10月21日） 检索于2026年10月21日 来自 https://phys.org/news/2026-10-ultrafast-ferromagnetism.html

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