超超速Terahertz磁体：跟踪磁态超快变化的新方法

正如该图示所示，研究人员能够测量由超快电子和声学过程引起的铁纳米膜中的磁化动力学。

国际研究团队记录太赫兹辐射的排放。

来自Bielefeld大学的国际物理学家团队，乌普萨拉大学，斯特拉斯堡大学，上海大学科学和科技大学，Max Planck Plance Research研究所，Eth苏黎世和自由大学柏林开发了一种精确的方法来衡量超快变化材料中的磁力状态。它们通过观察到必然伴随这种磁化变化的太赫兹辐射的排放来实现这一点。他们的研究最近在自然通信中发表了“超超太太磁体”。

通过缩小磁头的尺寸，磁存储器不仅可以获得更高，更高的容量，它们也变得更快。原则上，磁位可以是“翻转的” - 也就是说，它可以将其状态从“一个”到“零”改变，反之亦然，反之亦然，而不是短于一个皮秒短的时间。一个皮秒（1 ps = 10-12s）是百万分之一的一百万。这可以允许在太赫兹（1 THz = 1×1012赫兹）开关频率下的磁存储器的操作，对应于每秒非常高的T比（Tbit / s）数据速率。

在新的研究与他们的国际同事一起，教授Dmitry Turchinovich（左）和Wentao Zhang博士展示了如何测量磁性态的超快变化。

“实际的挑战是能够快速和敏感地检测这种磁化变化，”德米特里·格里奇诺维奇博士，比勒费尔德大学物理学教授和本研究领导者博士。“现有的超快磁度测量方法所有遭受某些显着缺点，例如仅在超高压真空条件下操作，无法测量封装材料等。

我们的想法是使用电动动力学的基本原理。这表示材料的磁化变化必须导致含有关于该磁化变化的完整信息的电磁辐射的发射。如果材料中的磁化在PicoSecond时间尺度上改变，则发出的辐射属于太赫兹频率范围。

问题是，这种辐射（称为“磁偶极发射”）非常弱，并且可以通过其他来源的发光容易地模糊。德米特里省教授实验室的博士生张章，以及发表论文的第一作者说：“我们花了我们的时间，但最后我们成功地隔离了这种磁性偶极太赫兹排放，使我们可以在我们的样品中可靠地重建超快磁化动力学：封装的铁纳米螺纹。

在实验中，研究人员将激光呈现出非常短的脉冲到铁纳米膜上，导致它们非常快速地消除。与此同时，他们收集在这种消除过程中发出的太赫兹光。这种太赫兹发射的分析产生了铁膜中磁能的精确时间演变。

“一旦我们的分析完成，我们意识到我们实际上远远超过了我们所期望的远远超过我们所预期的，”德米特里·格鲁奇诺维奇继续。'已经知道，有一段时间已经知道，铁可以在激光照射时非常快地消除。但我们也看到的是一个相当小的，但磁化动态的一个非常明确的额外信号。这让我们全部兴奋。

该信号来自铁的退磁 - 实际上通过我们的样品传播了非常快速的声音脉冲的传播。这声音来自哪里？很简单：当铁膜吸收激光时，它不仅脱磁，也变得热。众所周知，大多数材料在热处理时膨胀，铁纳米丝的这种扩张在样品结构中发射了太赫兹超声波的脉冲。

这种声音脉冲在样品边界，内部和外部之间来回弹出，如大厅墙壁之间的回声。每当这种回声通过铁纳米丝，声音的压力就会移动铁原子一点，这进一步削弱了材料中的磁性。“之前从未观察过这种超快时间尺度的效果。

“我们很高兴我们可以如此清楚地看到这种声学驱动的超快磁化信号，并且它比较强壮。令人惊讶的是，通过具有亚mm波长的THz辐射来检测它，因此良好地进行了辐射，因为铁膜中的膨胀仅是几十femtometres（1 fm = 10-15米），这是一个较小的十个数量级， “乌普萨拉大学物理学教授彼得·米博士博士博士博士说，他领导了本研究的理论部分。

Peter M.彼得马尔多纳多博士博士，彼得米的同事，他们执行了对解释这项工作中的观察至关重要的数值计算，补充说：“我发现极其令人兴奋的是实验数据与我们的第一原理理论计算之间几乎完美的匹配。这证实我们的超快Sirehertz磁体的实验方法确实非常准确，也足够敏感，因为我们能够在不同起源的超快磁信号之间显然进行区分：电子和声学。

参考：“Ultrafast Terahtz Magnetometry”由Wentao Zhang，Pablo Maldonado，Zuanming Jin，Tom S. Seifert，Jacek Arabski，Guy Schmerber，Eric Beaurepaire，Mischa Bonn，Tobias Kampfrath，Peter M. oppeneer和Dmitry Turchinovich，8月20日，自然通信。 DOI：
10.1038 / S41467-020-17935-6

本出版物的其余共同作者致力于努力纪念他们的同事，斯特拉斯堡大学埃里克贝弗莱河博士的超快磁博士。他是这项研究的发起者之一，但在最终阶段消失了。