在显微镜中超快地控制自旋

洛桑联邦理工学院的研究人员开发了一种新技术，可以以有史以来最快的速度可视化和控制以涡流状纹理排列的少数旋转的旋转。这一突破可以推进“自旋电子学”，这是一种包括新型计算机存储器，逻辑门和高精度传感器的技术。

“计算，数据存储和传感方面的技术进步都需要新技术来控制材料的纳米级磁性，”洛桑联邦理工学院基础科学学院的Fabrizio Carbone教授说。这些性质之一是“自旋”，它指的是单个原子的磁性取向。

近年来，自旋引起了人们的极大兴趣，催生了自旋电子学或“自旋电子学”领域。除了自旋的基础研究之外，自旋电子学更实际的目标是不仅利用电子的电荷 - 如传统电子学 - 而且利用它们的自旋，增加和额外的自由度，可以提高数据存储和传输的效率。

但是，这首先要求我们可以控制少量的旋转。“在超快的时间尺度上，很少的自旋的可视化和确定性控制尚未实现，”Carbone实验室的博士后Phoebe Tengdin博士说，他指出这种控制需要非常紧迫的时间范围才能使自旋电子学飞跃到应用中。

现在，Tengdin与博士生Benoit Truc和博士后Alexey Sapozhnik博士开发了一种新技术，可以可视化和控制以涡旋状纹理排列的少数自旋的旋转，这是一种称为skyrmion的自旋“纳米漩涡”。

为此，科学家们在飞秒时间范围内使用了激光脉冲序列(10-15或千万亿分之一秒)。通过将激光脉冲排列得恰到好处，他们能够控制该领域已知的硒铜矿物中自旋的旋转，其化学成分为Cu2操作系统3.这种矿物在自旋电子学领域非常受欢迎，因为它为研究自旋提供了理想的试验台。

用激光脉冲控制自旋，研究人员发现，他们甚至可以通过简单地改变连续驱动脉冲之间的延迟时间和调整激光偏振来随意改变方向。

但研究并没有止步于此。通过使用一种可以“看到”纳米级尺寸的透射电子显微镜，该团队还能够实际成像自旋变化。这一突破对自旋电子学的基本方面具有巨大的意义。

该研究发表在《物理评论X》杂志上。

这项工作为该领域提供了一种在超快时间尺度上控制磁性纹理的新协议，并为下一代信息存储设备中的旋转开关开辟了令人兴奋的新机会。

“我们的实验表明，使用中等强度的光束可以以非常高的速度操纵和成像少数旋转，”Tengdin说。“这种效应可以在自旋运行的低功耗超快设备中得到利用。新型存储器或逻辑门是可能的候选者，高精度传感器也是如此。

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