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激光脈沖實現(xiàn)特殊鐵磁體極性翻轉

發(fā)布時間：2026-02-03

來源：科技日報

責任編輯：科普網(wǎng)

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為開發(fā)可調諧光電子電路提供可能

科技日報北京2月2日電（記者張夢然）瑞士巴塞爾大學和蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究團隊取得一項突破：他們通過激光束成功實現(xiàn)了一種特殊鐵磁體的極性翻轉。這項進展為未來開發(fā)可調諧的光電子電路提供了潛在可能。研究發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

鐵磁體中的磁力源于電子自旋的有序排列。每個電子的自旋都會產(chǎn)生微弱磁場，當所有電子自旋方向趨于一致時，材料整體便呈現(xiàn)出宏觀磁性。這種排列通常需要克服內部熱運動的無序影響，只有當材料溫度低于某一臨界值時，鐵磁性才能穩(wěn)定存在。

傳統(tǒng)上，若要改變鐵磁體的磁極方向，往往需要先將其加熱至臨界溫度以上，使電子自旋得以重新定向，再冷卻固定新的磁化方向。然而，此次研究表明，僅通過光照即可實現(xiàn)這一極性翻轉過程，無需依賴整體加熱。

研究團隊使用了一種特殊的層狀材料——兩層輕微扭曲的二維有機半導體鉬二碲化物。在這種材料中，電子可以形成所謂的拓撲態(tài)，其特性可通過幾何形態(tài)類比來理解。如同球體與環(huán)面之間的本質區(qū)別，拓撲態(tài)具有穩(wěn)定且明確的定義，不易被連續(xù)變形所改變。

實驗中，團隊通過調控使電子在絕緣態(tài)與金屬態(tài)之間轉變。由于電子間的強相互作用，在這兩種狀態(tài)下電子自旋均保持平行排列，從而使材料整體表現(xiàn)為鐵磁性。關鍵在于，他們利用激光脈沖實現(xiàn)了整個鐵磁體自旋方向的集體翻轉。

這一轉變是永久性的，并且材料的拓撲性質對翻轉的動態(tài)過程產(chǎn)生了影響。通過控制激光，團隊還能在材料中“繪制”出不同拓撲鐵磁態(tài)的邊界，并實現(xiàn)對其拓撲與磁性的動態(tài)調控。

為了驗證極性翻轉的效果，團隊使用另一束較弱激光探測材料表面的反射光特性，通過光學信號辨析出自旋方向的改變。

這項技術為在微芯片上光學寫入可重構的拓撲電路開辟了新路徑。未來，基于該方法有望制備微型干涉儀等器件，用于極弱電磁場的高精度測量。

【總編輯圈點】

通常來說，如果想改變磁鐵的磁性方向，需要先把它加熱到很高溫度，打亂內部秩序，再讓其冷卻，磁性才能在新的方向上固定下來。此次科研人員用了一種特殊的扭曲的雙層半導體，只需一道激光，就能翻轉鐵磁體的自旋方向，而且是永久翻轉。激光成了神奇畫手，能改變南北，還能劃定不同磁性區(qū)域的邊界。這種快速翻轉磁性的方法，為開發(fā)可調諧、可重構的光電子芯片和電路奠定了基礎，也有望幫我們造出精巧靈敏的磁場測量儀器。

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