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巴塞尔大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员展示了一种利用聚焦激光束反转特殊铁磁体极性的方法。这项进展预示着未来或许可以利用光直接在芯片上设计和重新配置电子电路。
研究人员利用激光脉冲（蓝色）改变了一种由扭曲的拓扑层（红色）组成的特殊材料中铁磁态的极性。图片来源：Enrique Sahagún，Scixel / 巴塞尔大学物理系
铁磁体的工作原理是：材料内部大量微小的磁矩同步运动。每个电子都具有自旋特性，自旋会产生一个非常微弱的磁场。当许多自旋方向一致时，它们的共同作用就会形成一个强大而稳定的磁体，例如指南针或冰箱门上的磁体。
这种排列只有在自旋之间的相互作用足够强，能够克服随机热运动时才会发生。低于特定的临界温度时，这些协同相互作用占据主导地位，材料变为铁磁性。
通常情况下，要反转磁体的极性，需要将其加热到临界温度以上。在较高温度下，磁体的有序排列会被破坏，自旋会重新排列。当材料再次冷却后，自旋会稳定在新的集体取向，磁体指向不同的方向。
无热激光开关
由巴塞尔大学的托马什·斯莫伦斯基教授和苏黎世联邦理工学院的阿塔奇·伊马莫卢教授领导的研究团队，仅利用光就实现了这种重定向，而无需提高温度。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。
“我们工作的激动人心之处在于，我们将现代凝聚态物理的三大主题结合在一个实验中：电子之间的强相互作用、拓扑结构和动力学控制，”伊马莫格鲁说。
为了实现这一目标，研究人员使用了一种精心设计的材料，该材料由两层原子级薄的有机半导体二碲化钼构成。这两层材料堆叠在一起，层间略微扭曲，这一细节赋予了材料独特的电子行为。
拓扑态和扭曲量子材料
在这种扭曲的结构中，电子可以组织成所谓的拓扑态。我们可以用一个简单的类比来理解这些拓扑态。球没有洞，而甜甜圈有洞。无论你怎么改变球的形状，你都无法在不切割或撕裂的情况下把它变成甜甜圈。同样，拓扑态本质上是不同的，它们之间无法平滑地相互转换。
在斯莫伦斯基和伊马莫卢主持的实验中，研究人员能够调节电子在拓扑态之间的转换，前者表现为绝缘体，后者则表现为金属导电。在这两种情况下，电子间的相互作用都会导致它们的自旋平行排列，从而产生铁磁态。
“我们的主要成果是，我们可以利用激光脉冲改变自旋的集体取向，”苏黎世联邦理工学院（ETH）的博士生奥利维尔·胡贝尔（Olivier Huber）说道，他与基利安·库尔布罗特（Kilian Kuhlbrodt）和托马斯·斯莫伦斯基（Tomasz Smoleński）共同完成了这项测量。虽然早期的研究表明可以用光操控单个电子自旋，但这项研究展示了如何一次性改变整个铁磁体的极性。“这种极性改变是永久性的，而且拓扑结构会影响极性改变的动力学过程，”斯莫伦斯基说道。
磁态的动态控制
这种激光的作用远不止翻转磁体。它还能在微观材料内部定义新的边界，从而形成拓扑铁磁态存在的区域。由于这一过程可以重复进行，研究人员可以动态地控制系统的磁性和拓扑性质。
为了确认这个直径仅几微米的微型铁磁体是否真的发生了极性反转，研究团队用第二束强度较弱的激光束照射它。通过分析反射光，他们可以确定电子自旋的方向。
“未来，我们将能够利用我们的方法在芯片上以光学方式写入任意且可定制的拓扑电路，”斯莫伦斯基说道。这类电路可以包含能够探测极微弱电磁场的微型干涉仪，从而为精密传感技术开辟新的可能性。
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260303050630.htm
（来源：编译自sciencedaily）
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