基于THz辐射的磁场超快动力学

材料的磁性是一种已经被广泛研究的物理现象。其中，新型计算机数据存储和存储器材料中的超快磁性变化是一项研究热点。来自德国等五个国家和地区的研究人员发现，测量这些亚皮秒内的磁性转变辐射的太赫兹（THz）可以清楚地了解这些固态材料内的磁动力学（Nat. Commun.，doi：10.1038 / s41467-020 -17935-6）。据报道，该太赫兹方法可在存储设备实际使用的环境温度和操作条件工作。

在过去的二十年中，大量的研究工作围绕激光诱导金属磁效应展开。这些自旋角动量的变化发生在10^–12 s的时间尺度内。以往追踪这种超快变化的最有效方法需要高真空实验条件。如今，研究人员已经发现，亚皮秒级的磁变化会产生THz辐射。但是，如何消除基于磁化的成分，并将其与强得多的电偶极子辐射独立研究一直是一个难点。

了解材料在超快时间尺度上对外部激发的响应对材料的应用十分重要。Turchinovich团队在两层氧化镁之间放置了一个10 nm厚的铁膜，并用100 fs，800 nm的激光脉冲激发了该材料。 氧化镁激光器阻止了铁中热电子的扩散，从而消除了反自旋霍尔效应驱动的电偶极子发射。而剩余的前向THz辐射在分束器中与探测激光脉冲合并，并通过自由空间光学采样进行检测。

Turchinovich表示，该研究的最大挑战是实现了磁偶极子发射的稳定检测，因为信号持续时间大约几毫秒，非常微弱。另外，该团队还进行了数学建模，从而将可观察的，超快的THz电磁信号准确地重建到其源头，研究激光激发材料中的磁化动力学。

测量由超快电子和声学过程引起的铁纳米膜中的磁化动力学的示意图。

研究小组从激光激发的铁中检测到了磁化动力学信号的两个分量。首先是由铁中电子的直接激发驱动的瞬态退磁。研究人员还注意到超快速退磁的其他作用，由样品中的超声波脉冲传播所驱动。研究人员认为这种声音脉冲源于铁膜的超快速热膨胀，因此随后又吸收了激光能量。实验获得的磁声信号足够强和清晰，从而可用于在实验和理论上进一步研究这种超快的磁振子与声子相互作用。”

来自法国斯特拉斯堡大学，德国马克斯·普朗克聚合物研究所，瑞典乌普萨拉大学，中国上海科技大学，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国柏林自由大学的科学家也为这项工作做出了贡献。