摘要：超快磁学领域探索如何在万亿分之一秒内利用闪光操控材料的磁化强度。这一过程被称为全光开关 (AOS)，只需一个持续时间为几飞秒（约10 -15秒）的激光脉冲，即可翻转微小的磁区，无需外部施加磁场。

柏林研究联盟(FVB)

超快磁学领域探索如何在万亿分之一秒内利用闪光操控材料的磁化强度。这一过程被称为全光开关 (AOS)，只需一个持续时间为几飞秒（约10 -15秒）的激光脉冲，即可翻转微小的磁区，无需外部施加磁场。

AOS 能够实现如此超快的磁化控制，其速度比传统基于磁体的读/写头（例如磁性硬盘）的速度快几个数量级，是新型自旋电子学器件的有力候选者，该器件利用磁自旋及其相关的磁矩作为信息载体。这类器件通常由多层纳米级薄材料堆叠而成，而实际的磁性材料就是其中之一。

到目前为止，人们一直认为，只要激光脉冲沉积的能量足够大，磁性材料中的开关过程就会均匀地发生。在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中，马克斯·玻恩研究所的研究人员与柏林和南希的合作者共同揭示了事实并非如此。相反，磁化边界会以超快的速度传播到材料深处。

科学家们将超短红外 (IR) 激发与台式飞秒软X射线光谱技术相结合，研究了厚度为 9.4 纳米的钆钴 (GdCo) 薄膜，该薄膜采用典型的叠层结构，顶部为铂和铜层，底部为钽层。他们利用调谐至稀土原子 Gd 原子共振的宽带 X 射线，并应用了 MBI 最近开发的一种技术，该技术可以跟踪样品深度方向上的磁化强度变化。最终获得了磁化强度沿薄膜深度演变的动态影像，时间分辨率达到飞秒级。

在这部电影中，研究人员可以观察到迄今为止隐藏的东西：在持续时间为 27 fs 的红外脉冲到达后，整个 GdCo 层立即升温，其磁化强度几乎均匀地下降，这与传统思维一致。

但在两皮秒之后，出现了两个磁化方向相反的畴：顶部区域——受到来自GdCo上方受热更强的铂层的额外刺激——首先发生翻转，而底部的磁化方向保持不变。这两个畴之间形成了边界，随后以约2000米/秒的速度向下传播，在大约4.5皮秒的时间内扫过整个GdCo层。

特别是，最初只有 GdCo 的近表面切片被激发得足够强，以克服 AOS 所需的阈值；尽管如此，由于传播边界的作用，其余薄膜也会随之发生转换，因此转换会成功。

这一发现迫使人们重新思考AOS是局域和非局域过程的结合，挑战了现有理论模型对该过程的理解。移动边界可能是由切换区域和非切换区域之间的角动量交换以及在超短时间尺度上建立的异质结构上的热梯度共同驱动的，最终决定了切换速度和最终的磁状态。

展望未来，这些见解为设计光驱动磁性器件开辟了新的途径。通过选择不同的周围层以及改变薄膜厚度和成分，人们可以控制边界成核的位置和传播速度。这种设计自由度可以实现利用光驱动磁化反转的快速、节能的存储器和逻辑元件。

来源：小月科技论