照亮高速计算之路：太赫兹激光脉冲改变了铁磁现象

利用光来控制固体中的磁性是一个很有前途的未来技术平台。今天的计算机主要依靠电荷的流动来处理信息。此外，数字内存存储设备利用了必须在外部磁场中切换的磁位。这两个方面都限制了当前计算系统的速度和能源效率。使用光来代替光学切换存储器和计算设备可以彻底改变处理速度和效率。

YTiO3是一种过渡金属氧化物，只有在27K或-246摄氏度以下才会变成铁磁性，其特性类似于冰箱磁铁。在这些低温下，钛原子上的电子自旋向一个特定方向排列。正是这种自旋的集体排序使整个材料具有宏观上的磁化，并使其变成铁磁性。相反，在27K以上的温度下，单个自旋随机波动，因此没有铁磁性的发展。

利用德国汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)开发的强大的太赫兹光源，研究小组成功地在YTiO3中实现了铁磁性，温度高达近100K(-193°C)，这远远高于其正常转变温度。光诱导的状态也持续了许多纳秒。强烈的光脉冲被设计为以协调的方式"摇动"材料的原子，使电子能够对齐它们的自旋。

"脉冲的频率被调整为驱动YTiO3晶格的特定振动，称为声子，"主要作者Ankit Disa解释说。"我们发现，当我们以9太赫兹的自然频率激发一个特定的声子时，自旋的集体秩序和电子的轨道被修改，导致了对铁磁状态的更大倾向。当驱动其他声子时，我们观察到完全不同的结果： 在4太赫兹激发一个声子实际上会恶化铁磁性，而在17太赫兹激发一个声子会增强铁磁性--但不像9太赫兹声子那样强烈。"

在通常的过渡温度27K以下，9THz声子的激发大大增加了磁化，将其提高了约20%，达到了理论最大值--这是迄今为止尚未达到的水平。

这些实验中使用的太赫兹源提供了强烈的脉冲，并且能够激发材料中一个非常狭窄的频率区域，使其成为一个极其精确的工具。它已经被部署在其他几个由MPSD领导的关于光增强超导性和磁性的研究中。然而，这项工作首次揭示了通过激发一系列晶格振动可以产生质量上不同的效果。

除了加深科学家对强烈和超快的光-物质相互作用的理解外，这些结果是走向磁性元件的光学控制的重要垫脚石。

MPSD凝聚态物质动力学部主任Andrea Cavalleri解释说："这项工作不仅展示了按需开关磁性，它还让我们预见到了在超高速存储和处理信息时可以做什么。"除了这个演示，我们的工作还强调了在无序的、波动的物质相中创造秩序的能力，类似于用光来冻结水。控制这些过程一直是我们小组的一个长期目标。多年来，我们已经报告了一些其他的实现，包括光诱导高温超导性和光诱导铁电性。"