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皮秒激光与超快热导磁化作用

皮秒激光的快速发展,给工业加工增添了一道曙光。最近,美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校科学家揭示了一种新的物理机制,科学家可通过这种物理机制用热来操控磁的形成。与传统磁场不同,新机制依赖热能传输,为人们提供了一种在纳米尺度操控磁化作用的新途径。相关论文发表在最近出版的《自然·物理学》上。 

研究人员制作了一种多层的金属自旋阀结构,包含两个磁层和一个传热层。“当热流通过第一层磁性材料时,会产生电子自旋分离。我们的研究就是利用了这一点。利用这种形成磁性双极流的过程,我们能操控第二磁层的方向。”香槟分校材料科学与工程系主任大卫·卡西尔教授说。

“我们利用由超快热导引起的自旋流来产生自旋转移力矩(STT)。自旋转移力矩是一个铁磁体从导电到磁化的自旋角动量的转移,让人们能用自旋流而不是磁场来操控纳米磁铁。”该校材料科学与工程系周博士说。通常情况下,用电流通过磁层才能产生自旋转移力矩,他们现证明存在一种用强热流来产生自旋转移力矩的机制,这一机制主要由自旋依赖的塞贝克效应驱动。塞贝克效应是一种热电现象,同一电路中两种不同材料之间的温度差会产生电压。自旋依赖的塞贝克效应则是指在一个铁磁体中自旋电子产生的类似现象。 

在金属自旋阀结构中,研究人员用皮秒(万亿分之一秒)激光脉冲制造一种强超快热流,对热自旋转移进行了量化。这种热流达到每平方米100GW(10亿瓦特),持续约50皮秒。“热驱动自旋流的符号和数值可以通过铁磁层的成分和传热层的厚度来控制。”卡西尔说。  

在纳米自旋器件中,自旋和热的耦合产生了新的物理现象,由热传输驱动的自旋转移力矩能为人们提供一种操控局部磁化的新方法。卡西尔说:“用热流分离电子自旋的物理机制与热电偶作用和热发电机有关,热发电机能为深空探测器提供电力。在热电设备中,热流会引起电荷分离,这种电荷分离可用于检测温度,也可用来供电。”