科學家每十億分之一秒偵測到一次磁反轉
東京大學的 Ryo Shimano 領導的研究小組直接觀察到電子自旋如何在反鐵磁體內翻轉，反鐵磁體是一種相反自旋相互抵消的材料。透過捕捉這一過程的實際情況，研究人員區分了兩種切換機制。其中之一概述了一條通往超越當前技術的超快、非揮發性磁性記憶體和邏輯裝置的實用途徑。結果發表於 自然材料。
從穿孔紙卡和金屬棒到真空管和晶體管，現代計算始終依賴物理系統來表示 0 和 1。隨著對處理能力的需求不斷上升，研究人員正在尋找更快、更有效率的替代方案。反鐵磁體提供了一個有前途的選擇。儘管由於自旋平衡，它們看起來呈現磁中性，但它們的內部磁性結構仍然可以用來以新的方式儲存數位資訊。
「多年來，」Shimano 說，「科學家相信，像錳這樣的反鐵磁體3Sn（三罐錳）可以很快改變其磁化強度。然而，目前尚不清楚這種非揮發性切換是否可以在幾皮秒或幾十皮秒內完成，或者在切換過程中磁化強度實際上如何變化。 」
熱量還是電流？解開變化之謎
核心問題是什麼真正推動了旋轉的逆轉。電流是直接反轉自旋，還是電流產生的熱量導致了這種變化？
為了找到答案，團隊設計了一個實驗來即時觀察整個過程。製備了 Mn 薄膜3Sn 並通過它發送短電脈衝。同時，他們用精確定時的超快閃光照射樣品，調整電流脈衝和光脈衝之間的延遲。這種方法使他們能夠組裝一個時間分辨序列，顯示磁化強度如何隨時刻變化。
「這個專案最困難的部分，」Shimano 回憶道，「是測量磁光訊號中的微小變化。然而，一旦我們建立了正確的方法，我們最終能夠如此清晰地觀察到切換過程，這讓我們感到驚訝。”
揭示了兩種獨立的自旋轉換機制
實驗產生了前所未有的東西：在旋轉過程中逐幀變化的磁性圖案。影像顯示，該行為取決於所施加電流的強度。
當電流較強時，熱效應會造成變化。然而，在較弱的電流條件下，旋轉幾乎沒有預熱就發生了翻轉。第二條途徑特別重要，因為它提出了一種快速有效控制磁態的方法，而不會將能量浪費為熱。
這種無熱切換機制可能成為先進運算、通訊和電子領域使用的下一代自旋電子裝置的基礎。對禧瑪諾來說，這項發現代表了仍有待探索的新科學領域。
突破皮秒切換的極限
「目前對 Mn₃Sn 電擊穿的最快時間分辨觀測為 140 皮秒，主要受限於我們的裝置設定中可以產生多短的電流脈衝。然而，我們的研究結果表明，材料本身在適當的條件下可以更快地切換。未來，我們的目標是透過優化具有更短電流結構的裝置來探索這些最後的限製裝置來探索這些最後的限製裝置。」
儘管目前測量限制為 140 皮秒，但該材料的實際速度限制可能更短。透過改進實驗工具和設備設計，研究人員希望發現反鐵磁自旋變化發生的速度有多快。
