用自旋电子学器件控制磁化时，通常需要数纳秒的时间，要比传统的半导体晶体管速度慢了一个数量级。东京大学研究生院的工学研究科Le Duc Anh副教授、小林正起副教授、武田崇仁特任助教、田中雅明教授的研究团队，与该大学理学研究科的研究生鹫见寿秀、物性研究所的堀尾真史助教、松田巌教授的研究团队、分子科学研究所的山本航平助教、理化学研究所(简称“理研”)放射光科学研究中心的久保田雄也研究员、矢桥牧名主管研究员、高亮度光科学研究中心(JASRI)大和田成起主干研究员的研究团队共同合作，在含有强磁半导体铟铁砷（In,Fe）As的半导体量子阱结构上，照射30飞秒脉冲激光，成功地在600飞秒的短时间内实现了增强磁化。这一研究成果为实现超高速低功耗自旋电子元件和量子元件开辟了新的方向。相关研究成果已发表在《Advanced Materials》上。
图1:（左图）本研究使用的测量系统。将超短脉冲泵浦光（红外光）照射到强磁半导体铟铁砷（In,Fe）As / 非磁性半导体砷化铟InAs组成的量子阱结构中，用与之同步的探测光（XFEL）来观测量子阱内强磁矩的时间变化。由于强磁性量子阱的磁化，反射的XFEL的偏振面会发生旋转（Kerr旋转），并通过旋转偏振板和光电探测器对其进行检测。（右图）光电探测器检测到的XFEL的反射强度反映了强磁性量子阱的磁化情况。泵浦光射入后，在600飞秒（区域I）的极短的时间内增强了磁化。这是世界首次通过控制波函数实现超高速磁化控制的实证案例。（供图：东京大学）
在实验中，通过将超短脉冲泵浦光（红外光）照射到强磁半导体铟铁砷（In,Fe）As / 非磁性半导体砷化铟InAs组成的量子阱结构中，用与之同步的探测光（X射线自由电子激光：XFEL）来观测量子阱内强磁矩的时间变化。由于强磁性量子阱的磁化，反射的XFEL的偏振面会发生旋转（Kerr旋转），并通过旋转偏振板和光电探测器对其进行检测。光电探测器检测到的XFEL的反射强度反映了强磁性量子阱的磁化情况。以泵浦光射入长度为30飞秒的脉冲激光，在600飞秒的极短时间内增强磁化。这是世界首次通过控制波函数实现超高速磁化控制的实证案例。
通过分析实验结果和理论计算反复模拟，发现飞秒脉冲激光产生的载流子（电子和空穴）不与强磁性半导体层内的Fe磁矩直接发生相互作用。但这些空间电荷产生的表面势能导致限制在量子阱内的二维电子波函数以及随之变化的电子密度分布发生了急剧变化，结果使得Fe磁矩之间的磁性相互作用迅速增强，从而揭示了（由Fe磁矩总和引起的宏观磁序）磁化的增强。
传统的强磁性材料为了增强磁化，需要大幅改变材料的d轨道或f轨道电子密度，而通过电场效应晶体管的栅极电压等电学手段来超高速且大量地控制材料的电子密度是非常困难的。与此相对，本次实现的通过波函数控制超高速磁化的方法不同于改变载流子浓度的传统方法，而是用半导体内的波函数来进行控制的，这一点具有跨时代性的意义。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Advanced Materials
论文：Ultrafast subpicosecond magnetisation of a two-dimensional ferromagnet
DOI：10.1002/adma.202301347
