北京师范大学物理与天文学院教授熊昌民和张文凯团队实现飞秒激光对氧化物多畴磁畴壁的精准“光操控”
文章导读
面对大数据时代磁存储的能耗瓶颈，你是否以为只有不断堆砌电学调控手段才能突破速度极限？传统认知里，飞秒激光操控磁畴往往被简单归结为热效应，导致效率低下且难以精准定位。但北师大团队在最新研究中彻底颠覆了这一观点：他们发现线偏振光竟能像手术刀一样，以非热机制精准“指挥”百纳米级的磁畴壁定向移动，能耗比传统方式低出几个数量级。当圆偏振光完全失效时，线偏振光却实现了超快有序排列，这背后的物理机制究竟如何绕过热效应直接驱动电子自旋？这一发现是否意味着下一代光自旋器件将不再受限于发热难题？
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近日，北京师范大学物理与天文学院教授熊昌民与张文凯团队合作在国际期刊ACS Nano发表了题为“Photocontrol of Magnetic Domain Structure in Manganite Thin Films by Linearly Polarized Femtosecond Laser Pulse”的研究论文。
超快、低能耗的自旋调控是自旋电子学领域的核心研究热点，在大数据时代背景下，开发兼具高速读写与低能耗特性的磁存储、磁逻辑器件成为该领域的重要发展目标。利用飞秒激光实现磁畴结构的光学操控，因能在飞秒时间尺度完成磁态调控，且有望突破电学调控的能耗瓶颈，成为自旋电子学的研究前沿。此前研究中，圆偏振飞秒激光已被证实可实现铁磁/亚铁磁材料的全光磁翻转，而线偏振飞秒激光对磁畴的调控多被归因于激光诱导的热效应。在线偏振飞秒激光对磁结构的作用中，是否存在非热光磁耦合效应、其相关调控机制如何，尤其是能否定向精准操控多畴结构中磁畴壁，仍是亟待解决的关键科学问题。La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）作为典型的室温铁磁金属锰氧化物，属于强电子关联体系，其在LaAlO3（LAO）（001）衬底上外延生长的薄膜具有显著的垂直磁各向异性，能形成规整的奈尔型磁畴壁结构，是研究磁畴壁动态调控的理想模型体系。此前熊昌民等人的研究已证实，该体系可通过电的自旋转移矩调控实现低能耗的磁畴壁运动，展现出在低能耗自旋电子器件中的应用潜力，但该材料的磁畴结构对飞秒激光的响应规律及内在作用机制尚未被系统探索。同时，LSMO/ LAO薄膜中磁畴宽度仅为100-300 nm，呈现出百纳米尺度的致密磁畴分布，与传统全光磁翻转研究中微米级的大磁畴形成显著差异，为研究飞秒激光照射下多畴结构的集体演化规律和磁畴壁的协同运动提供了独特的实验平台。
针对上述科学问题，熊昌民与张文凯团队合作，在LSMO/LAO铁磁薄膜中首次实现了线偏振飞秒激光对多畴构型的磁畴壁的非热定向操控，并揭示了其背后的偏振选择性激发机制。研究发现，线偏振飞秒激光照射可使原本无序的磁畴壁沿激光偏振垂直方向有序排列（图1），而相同能量密度的圆偏振飞秒激光对磁畴壁排布几乎无调控作用。通过定量分析磁畴壁有序度随激光照射时间、单脉冲能量密度的演化规律，团队确定了单脉冲驱动磁畴壁定向运动的体能量密度阈值低至57 J/cm3，该值较自旋转移力矩、自旋轨道力矩等电学调控方式低1-3个数量级，远低于激光热效应驱动磁畴壁运动的能量阈值，充分证实了该调控效应的非热本质。
进一步的偏振依赖实验证实磁畴壁排列方向始终与线偏振激光偏振方向垂直，展现出严格的偏振选择性。再结合超快光谱测量与理论分析，揭示其核心机制为线偏振激光对奈尔型磁畴壁平移模的偏振选择性激发：激光偏振与磁畴壁平行时，平移模式被高效激发，从而推动磁畴壁横向运动，偏振垂直时则平移模的激发被抑制，磁畴壁无明显定向运动（图2），这种非热激发机制与传统直流磁场的塞曼耦合调控本质不同，且调控效率显著更高。基于该非热光磁效应，团队还实现了磁畴壁各向异性电阻的全光调控：通过改变激光偏振方向可精准调控磁畴壁与电流的相对取向，从而实现薄膜在不同电阻态间的可逆切换，为多态光磁存储提供新途径。总之，该研究首次发现线偏振飞秒激光对多畴磁畴壁的非热偏振选择的调控效应，阐明了磁畴壁的平移模激发为其核心机制。相较传统电学、磁学调控，该光学调控方式兼具超高速、超低能耗、高空间灵活性的优势，为开发下一代高速低能耗光自旋电子器件提供了新的物理思路和实验基础。
图1：(a) 样品表面激光照射实验装置示意图，激光束与薄膜法向平行；(b) 激光照射前的磁畴图案；(c、d) 线偏振飞秒激光单次、两次照射后的磁畴结构（每次照射时长 10 秒）。在 (c) 和 (d) 中，样品顶部示意了线偏振飞秒激光波矢的示意图，其中光场中的电矢量和磁矢量分别用红色和蓝色线表示。同时，线偏振飞秒激光的偏振方向和磁畴壁的排列方向分别用红色和绿色箭头指示。比例尺，500 纳米 (b)。
图2：(a) 瞬态反射率测试装置示意图，线偏振泵浦光垂直入射样品，圆偏振探测光15°入射角入射；其中，测试中定义的0°和90°为线偏振飞秒泵浦光偏振方向与磁畴壁取向平行(b)或垂直(c)；(d)泵浦光偏振方向为0°和90°时，时间分辨的相对反射率变化ΔΓ/Γ对比曲线（时间步长：0.05 ps）；(e) 0°偏振下的ΔΓ/Γ实验数据，及通过双指数过程分别拟合电子弛豫项Γe和晶格加热项Γl得到的非振荡背景最优拟合曲线。
北京师范大学物理与天文学院为论文通讯单位。北京师范大学物理与天文学院博士孟建超，硕士杜海伦、丛伯融、高茂力为本文共同第一作者，教授熊昌民和张文凯为本文通讯作者，教授聂家财、博士冉光柳及研究生何丽芳、吴心田、陈金华等参与了本项研究。
本工作得到了北京市自然科学基金重点研究课题、广东省自然科学基金、内蒙古自治区自然科学基金以及国家自然科学基金等项目的经费支持。
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这能耗降得也太狠了，比电学调控低好几个数量级，有点东西。