2019年3月20日
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徐永兵、王学锋、阮学忠、张荣团队在超快光控自旋领域取得重要进展

近年来,利用电子的自旋作为信息载体无论在科学研究还是产业发展领域都获得了人们极大的关注和研究。目前以电子电荷为信息载体的传统半导体行业存在器件功耗增大和制造成本增加的问题,主要受限于量子尺寸效应。而以电子自旋为载体的自旋电子器件在信息存储领域具有存储密度高、响应速度快、能耗低以及抗干扰能力强等优点。因此,利用电子的自旋属性开发新型的自旋电子器件 (如MRAM,自旋场效应管)具有广阔的前景,将成为下一轮信息产业革命的核心技术之一。而利用多种手段实现对电子自旋的有效调控是完成数据存储、逻辑运算以及量子计算等功能的核心关键。同时,超快飞秒激光通过光与物质的相互作用已经被证明可以高效操控自旋,如激光热退磁、全光翻转磁性等。在实现上述超快激光调控磁性的过程中,材料的自旋轨道耦合效应常起到了关键性作用。因此,在超快时间尺度下利用不同材料的自旋轨道耦合为调控磁性提供了丰富的可能性。

我校电子科学与工程学院徐永兵教授团队在磁性钙钛矿La0.7Sr0.3MnO3薄膜中利用材料的轨道序实现了超快磁性调控。课题组通过制备高质量磁性钙钛矿La0.7Sr0.3MnO3超薄膜作为磁性载体,同时利用超快时间分辨磁光克尔效应技术作为测量调控手段,发现:磁性钙钛矿薄膜具有强的各向异性自旋轨道耦合作用,使得材料的轨道和自旋之间的关联十分强烈。在使用飞秒激光激发材料磁性的过程中,课题组发现通过改变探测激光的偏振面的角度可以调控磁矩在皮秒时间尺度上的翻转。这表明在使用激光激发磁性的过程中不仅存在已经被大量证明的超快退磁过程,同时也可以利用材料的各向异性轨道序诱导出超快磁性增强的特性。这一发现首次证明材料的轨道序可以在超快时间尺度上调控磁矩方向,同时也在物理上揭示了各向异性自旋轨道耦合在超快激光调控磁性过程中的重要地位,这为深入理解光调控磁性的微观物理机制及在磁存储芯片方面的应用提供了重要的实验支撑。

图 通过旋转超快激光偏振面实现超快磁性翻转的调控过程

该成果以Ultrafast Orbital-Oriented Control of Magnetization in Half-Metallic La0.7Sr0.3MnO3 Films为题,于2019年1月21日在线发表在国际权威杂志《先进材料》(Adv. Mater. 31 1806443 (2019))。南京大学电子科学与工程学院博士研究生刘波同学为论文的第一作者,徐永兵教授、王学锋教授和阮学忠高工为论文的共同通讯作者。该工作得到了江苏省光电信息功能材料重点实验室、江苏固态照明与节能电子学协同中心、国家重大科学研究计划(973项目)、国家重点研发计划量子调控与量子信息专项、国家重大科研仪器研制项目和国家自然基金委优青项目等基金项目的资助。

文章链接:

Bo Liu, Wei Niu, Yongda Chen, Xuezhong Ruan*, Zhixiong Tang, Xuefeng Wang*, Wenqing Liu, Liang He, Yao Li, Jing Wu, Shaolong Tang, Jun Du, Rong Zhang, Yongbing Xu*, Ultrafast Orbital-Oriented Control of Magnetization in Half-Metallic La0.7Sr0.3MnO3 Films, Adv. Mater. 31, 1806443 (2019).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201806443

(电子科学与工程学院 科学技术处)