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超快太赫兹光谱洞悉瞬态自旋动力学——上海大学金钻明副教授
2019-04-04
传统微电子学只研究和应用电子的电荷属性来输运能量与信息，而关于电子的另一个内禀属性，奇特的量子性质——自旋，研究的相对较少。近年来，鉴于超快脉冲激光抽运-探测技术的飞秒时间分辨，为研究磁有序材料提供一个强有力的研究手段，能得到材料中的超快自旋动力学信息。
上海大学金钻明副教授一直致力于光与凝聚态物质中电子自旋相互作用及其动力学过程的研究，聚焦于利用超短激光脉冲研究太赫兹（THz）频段的超快自旋动力学过程，以期实现超高速逻辑运算、超宽带信息传输和储存。在攻读博士期间，金钻明副教授与导师马国宏教授一起提出基于逆法拉第效应的超快全光磁开关原理，在磁光晶体中实现了全光磁开关。该工作被Nature Photonics选为亮点文章，有助于将来超高速的数据存贮和信息处理。
目前，上海大学金钻明和马国宏教授团队采用先进的太赫兹光谱技术，致力于揭开长期以来其他探测手段无法揭示的超快电子自旋的物理本质，为未来量子计算机的发展打下坚实的物理基础。
1 实现电子自旋本征输运参数的直接测量
2007年，巨磁电阻效应获得诺贝尔物理学奖，使硬盘技术得到飞速发展。但支撑巨磁阻效应的Mott模型在微观层次上的实验验证长期以来是物理学难题。原因在于几乎不可能从直流电输运测量中提取关于电子的传输寿命，更难定量地区分自旋向上和自旋向下电子各自的贡献。
金钻明博士与Dmitry Turchinovich教授和Mathias Kläui教授合作，利用超快THz光谱和自旋阀器件，成功地确定了NiCoFe合金中两个基本的自旋相关参数，即自旋向上和自旋向下电子的动量散射时间和载流子面密度。从微观层面上证明了N. Mott对于过渡金属理论物理图像的正确性。此外，测得室温下电子散射的自旋非对称参数为3，远大于传统测量的预期。日本科技振兴机构Adachi教授在Nature Physics上以“ULTRAFAST SPINTRONICS: back to basics”为题，认为这项研究为自旋电子学研究增加了一个全新且强大的研究手段——超快THz光谱技术，开启了太赫兹自旋电子学这一新的研究领域。
2 时域探测自旋波的THz共振激发与相干控制
与铁磁材料相比，反铁磁材料宏观磁矩为零，很难通过静态磁性测量研究其自旋特性。由于反铁磁具有强的交换耦合和高的共振频率，在GHz甚至THz波段得到广泛应用。反铁磁自旋逻辑器件具有更低的能量损耗、更快的速度和更高的稳定性，反铁磁材料的超快自旋动力学成为当前自旋电子学研究的热点。
上海大学金钻明、马国宏、曹世勋开展合作，利用THz脉冲的磁场分量与反铁磁自旋波共振特性，系统研究了稀土正铁氧体的超快自旋动力学，获得了本征磁共振频率和宏观磁化重取向等基础物理数据，为反铁磁材料在THz波段的信息存储与处理打下坚实的实验基础。
2018年，金钻明参与了上海大学曹世勋教授与美国Rice大学Kono教授的合作研究，利用强磁场、极低温THz光谱，在凝聚态磁性系统ErxY1-xFeO3中发现了首个迪克协同作用的实例。这一发现不仅有助于增进对磁现象的理解，而且为利用量子光学中的概念和工具，去理解、控制和预言凝聚态物质中的新物相提供了一条新的途径。
3 自旋-电荷转换的THz超快检测与操控
在快速发展的自旋电子学领域，人们期盼能高效、高通量、低成本地确定材料中的自旋-电荷的转换效率，以优化磁性材料制备和结构设计。通常需要在未知样品上制备复杂、昂贵的测试电路。金钻明带领研究团队利用超快THz发射光谱，在极大地减小材料制备和测试时间的基础上，实现快速、高通量地诊断未知材料的自旋霍尔角。目前已经能做到定性评估异质结构界面处的自旋积累效应，正在攻关的课题是通过THz发射谱线重构出材料中瞬态自旋流或磁矩的超快动力学过程。
未来，金钻明将继续结合超快飞秒激光以及THz技术，将自旋电子学的研究从兆赫兹、吉赫兹拓展至太赫兹频段。一方面聚焦于物理机理研究，包括凝聚态物质中电子自旋的THz共振激发、磁有序介质交换相互作用和磁各向异性的产生机制等，揭开长期以来其他探测手段无法揭示的材料超快电子自旋的物理本质；另一方面，通过这些研究能更快速和更高效地操控电子自旋，提供超快信息存储和处理崭新的研究方案和实现途径，为未来量子计算机的发展打下坚实的基础。
