磁性异质界面超快自旋交换耦合扭矩驱动的相干自旋转动研究

It is a challenge to improve the speed of spin manipulation in the magnetic medium for future information recording and operation technologies. Currently, ultrafast spin manipulation using femtosecond laser pulse has been demonstrated in many magnetic materials. However, in naturally abundant 3d transition magnetic metals, the fast spin and laser interaction is mainly based on the photoinduced thermal effect, improper for practical application. In this proposed project, we plan to study the ultrafast laser induced spin dynamics in magnetic heterostuctures of ferromagnetic metal and antiferromagnetic (ferrimagnetic) medium. The ultrafast modulations of antiferromagnetic (ferrimagnetic) spins by nonthermal excitation such as charge transfer induced demagnetization and magnetic anisotropy, or inverse Cotton Mouton effect will be utilized to alter the spin exchange interaction at the heterointerface, producing exchange torque to rapidly drive the magnetization rotation and switching in the ferromagnetic metal. This work will be helpful in understanding the ultrafast modulation of interfacial spin exchange coupling in magnetic heterostructures, and provide an approach for realizing the ultrafast nonthermal control of spins in conventional ferromagnetic metals.

基于磁性介质自旋的信息存储和运算技术发展面临的一个重要问题是如何更快地调控自旋以提高运行速度。已有的研究表明在很多磁性材料中飞秒激光脉冲可以在超快时间尺度操控自旋，但是在常见的3d过渡族铁磁金属中，这种光与自旋的直接相互作用主要基于光热效应，不利于实际应用。本项目计划开展铁磁金属与反（亚）铁磁介质异质结中的超快光致自旋动力学研究，利用反（亚）铁磁介质中的电荷转移诱导退磁与磁各向异性、及逆科顿穆顿效应等进行非热方式的超快自旋调制，进而改变异质结界面的自旋交换耦合，产生自旋扭矩快速驱动铁磁金属中的磁矩进动与反转。此项研究将有助于深入理解界面自旋交换耦合的超快调制，并为实现传统铁磁金属中基于非热方式的超快自旋调控提供可行的方案。

本项目旨在考虑如何快速高效地调控磁性介质中的电子自旋动力学，以推动基于自旋的信息存储和运算技术的发展，特别是如何利用超短脉冲光实现磁性的高效调控以及如何有效检测超快调控下的自旋动力学。项目主要研究了铁磁反铁磁异质结等体系中光致界面扭矩驱动的磁矩转动增强效应与机制研究，包括如何直接检测反铁磁的光致奈尔序超快调制动力学，如何利用逆科顿穆顿效应等泵浦光偏振方向依赖的非热方式来驱动超快自旋相干转动。通过该项目研究，最终实现了利用高阶磁光效应来直接观测反铁磁介质中超快奈尔序调制过程，确立了电荷转移激发效应可形成反铁磁超快退磁进而高效调制界面自旋交换耦合形成的磁性各向异性，相比单纯的光热驱动效应而言大幅增强了磁矩转动激发扭矩。此外项目揭示了一种石榴石(YIG)材料中逆康顿穆顿效应在超快光致磁矩进动激发中所占的主导地位，并实现了传统金属铁磁与铁电异质结中激发光线偏振方向依赖的非光热方式快速驱动磁矩转动。这些研究发表在Nat. Commun., PRB, APL等一流期刊上，为推动纳米磁性自旋超快调控的应用提供了新材料选择方案、器件构造思路与动力学检测技术。