麻省理工学院的物理学家利用光创造了一种材料中新的、持久的磁性状态。

在一篇发表在《自然》杂志上的研究中，研究人员报告称，他们使用太赫兹激光（一种每秒振荡超过一万亿次的激光光源）直接刺激反铁磁材料中的原子。激光的振荡被调整到材料原子之间的自然振动，以一种方式改变原子自旋的平衡，使其转向新的磁性状态。

研究结果为控制和切换反铁磁材料提供了一种新方法，而反铁磁材料因其在推进信息处理和存储芯片技术方面的潜力而备受关注。

在常见的磁体（称为铁磁体）中，原子的自旋指向相同的方向，整个磁体可以很容易地受到影响，并被拉向任何外部磁场的方向。相比之下，反铁磁体由具有交替自旋的原子组成，每个原子都指向与其相邻原子相反的方向。这种上、下、上、下的顺序基本上抵消了自旋，使反铁磁体具有净零磁化强度，不受任何磁力的影响。

如果存储芯片可以由反铁磁材料制成，则数据可以“写入”材料的微观区域（称为畴）。给定畴中特定自旋取向的构型（例如，上-下）将表示经典的比特“0”，而另一种构型（下-上）将表示“1”。写入此类芯片上的数据将能够抵抗外部磁场的影响。

出于这个和其他原因，科学家认为反铁磁材料可能是现有磁性存储技术的更可靠替代品。然而，一个主要障碍是如何以一种可靠的方式控制反铁磁体，使其从一种磁性状态切换到另一种磁性状态。

"反铁磁材料坚固耐用，不受不需要的杂散磁场的影响，"麻省理工学院的唐纳物理学教授努赫·格迪克说。"然而，这种耐用性是一把双刃剑；它们对弱磁场的迟钝使得这些材料难以控制。"

利用经过仔细调整的太赫兹光，麻省理工学院的研究小组能够可控地将反铁磁体切换到一种新的磁性状态。由于磁畴的稳定性，反铁磁体可以集成到未来的存储芯片中，这些芯片能够存储和处理更多数据，同时消耗更少的能量，并占用现有设备一小部分的空间。

"通常，这种反铁磁材料不容易控制，"格迪克说。"现在我们有一些旋钮可以用来调整和微调它们。"

格迪克是这项新研究的主要作者，该研究还包括麻省理工学院的合著者巴蒂尔·伊利亚斯、田川罗、亚历山大·冯·霍根、张祝权和凯斯·尼尔森，以及德国马克斯·普朗克结构与动力学研究所、西班牙巴斯克大学、首尔国立大学和纽约熨斗研究所的合作者。

格迪克在麻省理工学院的研究小组开发了操纵量子材料的技术，在量子材料中，原子之间的相互作用可以产生奇异的现象。

"总的来说，我们用光激发材料以了解更多关于它们基本结构的信息，"格迪克说。"例如，为什么这种材料是反铁磁体，是否有办法扰乱微观相互作用，使其变成铁磁体？"

在他们的新研究中，研究小组使用了FePS3——一种在约118开尔文（-247华氏度）的临界温度下转变为反铁磁相的材料。

研究小组怀疑他们可以通过调整其原子振动来控制材料的转变。

"在任何固体中，你可以把它想象成不同的原子周期性地排列，原子之间是微小的弹簧，"冯·霍根解释道。"如果你拉动一个原子，它将以一个特征频率振动，这个频率通常出现在太赫兹范围内。"

原子的振动方式也与其自旋如何相互作用有关。研究小组推断，如果他们可以用太赫兹光源刺激原子，该光源以与原子集体振动（称为声子）相同的频率振荡，那么这种效应也可以将原子的自旋从其完美平衡的、磁性交替的对齐状态中推开。一旦失去平衡，原子在一个方向上的自旋应该比另一个方向上的自旋更大，从而产生一个优选的方向，这将使固有非磁化材料转变为具有有限磁化强度的新磁性状态。

"我们的想法是用一块石头打两只鸟：你激发原子的太赫兹振动，这也与自旋耦合，"格迪克说。

为了检验这个想法，研究小组与首尔国立大学的同事合作合成了一种FePS3样品。他们将样品放入真空室并将其冷却到118 K及以下的温度。然后，他们通过将一束近红外光束穿过有机晶体产生太赫兹脉冲，该晶体将光转换为太赫兹频率。然后，他们将这束太赫兹光照射到样品上。

"这个太赫兹脉冲是我们用来在样品中产生变化的东西，"罗说。"这就像在样品中‘写入’一个新的状态。"

为了确认脉冲触发了材料磁性的变化，研究小组还将两束近红外激光照射到样品上，每束激光都具有相反的圆偏振。如果太赫兹脉冲没有影响，研究人员应该看不到透射红外激光强度的差异。

"只要看到差异就告诉我们，材料不再是原来的反铁磁体，并且我们正在诱导一种新的磁性状态，本质上是利用太赫兹光来晃动原子，"伊利亚斯说。

在重复的实验中，研究小组观察到，太赫兹脉冲成功地将之前为反铁磁的材料切换到了一种新的磁性状态——这种转变持续了令人惊讶的长的时间，超过几毫秒，即使在激光关闭后也是如此。

"人们以前在其他系统中观察到这些光诱导的相变，但通常它们持续的时间非常短，大约为皮秒，即一万亿分之一秒，"格迪克说。

在短短几毫秒内，科学家现在可能拥有一个足够的时间窗口，在此期间他们可以在它恢复到固有的反铁磁性之前探测临时新状态的特性。然后，他们可能能够识别出新的旋钮来调整反铁磁体并优化其在下一代存储技术中的使用。

这项研究部分得到了美国能源部材料科学与工程司基础能源科学办公室和戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。