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反铁磁体中的磁性切换：两种不同的机制已成功可视化
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反铁磁体中的磁性切换：两种不同的机制已成功可视化 东京大学篠濑亮（Ryo Shimano）领导的研究团队成功可视化了反铁磁体中电子自旋（向上与向下）翻转的两种不同机制。反铁磁材料中自旋排布彼此抵消。研究中被可视化的其中一种机制，为开发超快、非易失性的磁存储与逻辑器件提供了工作原理，这类器件的速度可能远超当今技术。 相关成果发表在 Nature Materials 上。 穿孔纸带、小金属杆、真空管与晶体管：这些都是曾用于编码 0 与 1——经典计算基础的技术。然而，随着全球计算需求不断增长，我们迫切需要更强大的工具。反铁磁体是一类材料，它们独特的磁性（或缺乏磁性）可用于以全新的方式编码 0 和 1。 “多年来，”篠濑说，“科学家认为像 Mn₃Sn 这样的反铁磁体可以非常快速地切换其磁化方向。然而，这种非易失性切换是否能够在数皮秒到数十皮秒内完成，以及磁化在切换过程中究竟如何变化，都一直不清楚。” 机制中的最大疑问是：切换究竟是由电流产生的热驱动的，还是由电流本身直接驱动的？因此研究人员决定通过可视化方式解答这一问题。 他们制备了一层薄的 Mn₃Sn 薄膜，并向其中施加短电流脉冲。随后，他们使用延时精确可控的超快光脉冲，与电流脉冲不同时间点“对照”，以尝试创建磁化变化的“逐帧图像”。 “本项目最具挑战性的部分是测量极其微小的磁光信号变化。然而，当我们最终建立了正确的方法后，能够如此清晰地观察到切换过程，这令我们非常惊讶。”篠濑说。 他们获得的结果前所未有：磁结构变化的逐帧可视化。图像显示，切换会根据电流强度以两种不同方式发生：强电流下由热过程驱动，弱电流下在没有显著加热的情况下由非热过程驱动。后一种机制可成为发展可靠的下一代自旋电子学器件（用于计算、通信与先进电子设备）的基础。 对篠濑而言，这意味着一件事：知识的边界正等待被进一步拓展。 “我们目前在 Mn₃Sn 中实现的最快电开关瞬态观测为 140 皮秒，这主要受限于装置能产生的电流脉冲长度。然而，我们的研究表明，在适当条件下，这种材料本身可能实现更快的切换。未来，我们计划通过生成更短的电流脉冲并优化器件结构，来探索这种极限。” More information: Ultrafast time-resolved observation of non-thermal current-induced switching in an antiferromagnetic Weyl semimetal, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02402-8 Journal information: Nature Materials |
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