雷射閃光翻轉磁鐵，實現光控制的重大突破

鐵磁體之所以起作用，是因為材料內大量的小磁矩一致移動。每個電子都有一種稱為自旋的特性，它會產生非常小的磁場。當許多這些自旋沿著同一方向排列時，它們的綜合效應會產生強大而穩定的磁鐵，就像指南針或冰箱門中的磁鐵一樣。

只有當自旋之間的相互作用足夠強以克服隨機熱運動時，才會發生這種對齊。低於某個臨界溫度，這些協調相互作用占主導地位，並且材料變得鐵磁性。

通常，反轉磁體的極性需要將其加熱到臨界溫度以上。在高溫下，規則的排列會被破壞，使自旋重新排列。一旦材料再次冷卻，自旋就會進入一個新的集體方向，磁鐵會指向不同的方向。

雷射開關無需加熱

由巴塞爾大學的 Tomasz Smolenski 教授和蘇黎世聯邦理工學院的 Atak Imamoglu 教授領導的團隊僅使用光就實現了這種重定向，而無需升高溫度。他們的研究結果發表在《自然》雜誌。

「我們的工作令人興奮的是，我們將現代凝聚態物理的三大主題結合在一個實驗中：電子、拓撲和動力學控制之間的強相互作用，」伊瑪莫格魯說。

為了實現這一目標，研究人員使用了一種精心設計的材料，該材料由兩層原子薄層二碲化鉬（一種有機半導體）製成。這些層堆疊在一起，它們之間幾乎沒有傾斜，這一細節導致了不尋常的電子行為。

拓樸態和扭曲量子材料

在這種扭曲的結構中，電子可以組織成所謂的拓樸態。這些情況可以用一個簡單的類比來理解。球沒有洞，而甜甜圈有洞。無論你如何改變球的形狀，如果你不切割或撕裂它，你就無法將它變成甜甜圈。同樣，拓樸態也有本質上的不同，並且不能順利地相互轉化。

在斯摩棱斯基和伊瑪莫格魯指導的實驗中，研究人員能夠在充當絕緣體和導電體（例如金屬）的拓撲狀態之間調整電子。在這兩種情況下，電子之間的相互作用導致它們的自旋平行排列，產生鐵磁態。

「我們的主要結果是，我們可以使用雷射脈衝來改變自旋的集體方向，」蘇黎世聯邦理工學院的博士生 Olivier Huber 說道，他與 Kilian Kohlbrodt 和 Thomas Smolenski 一起進行了測量。雖然先前的研究表明單一電子的自旋可以用光控制，但這項研究證明可以立即切換整個鐵磁體的極性。 「這種轉變一直存在，」斯莫林斯基說。 “此外，拓撲會影響開關動態。”

磁態的動態控制

雷射的作用不僅僅是翻轉磁鐵。它還可以在微觀材料內定義新的內部邊界，從而創建存在拓撲磁狀態的區域。由於這個過程是可重複的，研究人員可以動態控制系統的磁性和拓撲特性。

為了確認直徑只有幾微米的微小鐵磁體確實反轉了極性，研究團隊向其照射了第二個較弱的雷射光束。透過分析反射光，他們能夠確定電子自旋的方向。

「未來，我們將能夠使用我們的方法在晶片上編寫任意的、光學自適應的拓撲電路，」斯莫林斯基說。這些電路可能包括能夠偵測非常小的電磁場的微型乾涉儀，為精密感測技術開闢了新的可能性。