北京
電子自旋作為固體材料中的基本自由度之一，是發展新一代自旋電子學器件的重要信息載體。相比于傳統電荷電子學，自旋電子學具有功耗低、速度快、集成度高等優勢。超快激光脈沖有望實現自旋序在皮秒甚至亞皮秒尺度內的高效操控，推動超高速信息處理和新型量子器件的發展。然而，人們對在超短激光驅動的強非平衡條件下自旋、電子與晶格自由度之間復雜的耦合動力學仍缺乏了解。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室博士生武娜（現為德國馬普所博士后）、王恩等人在王亞嫻副研究員、孟勝研究員的指導下，利用自主發展的實時含時密度泛函理論和Ehrenfest分子動力學相結合的方法，系統研究了二維巡游鐵磁體 Fe?GeTe?中光誘導的超快自旋動力學過程，在理論上成功實現了飛秒尺度的光誘導自旋翻轉，并揭示了相干聲子在其中的關鍵作用機制。研究發現，在近紅外激光激發條件下，體系磁矩可在約300飛秒時間尺度內發生翻轉；同時隨著激光強度變化，體系可進入退磁、自旋翻轉以及自旋熔化三種不同的磁動力學調控區域，建立了全光學調控磁相變的相圖。
圖1.光激發下單層二維磁體Fe?GeTe?中晶格與磁性動力學的耦合演化。
進一步研究表明，該超快自旋翻轉過程來源于非平衡電子激發與特定對稱性的 A1g相干聲子模式之間的協同作用。其中，相干 A1g聲子通過降低自旋翻轉能壘促進磁矩反轉，而非平衡電子占據則打破自旋上下態之間的簡并性，使體系能夠跨越能壘實現超快自旋翻轉。同時，自旋翻轉過程中體系的 Berry 曲率分布及 Chern 數符號發生反轉，表明其瞬態能帶的拓撲性質發生變化，揭示了非平衡電子結構與超快磁動力學之間的密切關聯。不同于圓偏光操控電子自旋的方案，該研究提出了一種基于單模相干線性聲子協同驅動的飛秒尺度自旋反轉的新機制，為發展超快自旋電子學器件提供了重要的理論依據。
相關成果以“Photoinduced femtosecond spin-flip assisted by a single-mode linear phonon”為題發表在Science Advances。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委項目、中國科學院、北京市科技新星計劃的資助。
編輯：冰糕
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