超快自旋极化电流调控多亚晶格亚铁磁体中的超快退磁过程

编辑推荐：为解决超快自旋电子学中自旋极化热电子(SPHE)脉冲对多亚晶格Fe74Gd26退磁动力学的调控机制问题，德克斯哈·古普塔团队通过时间分辨X射线磁圆二色性(TR-XMCD)和原子自旋动力学模拟，首次定量揭示了SPHE脉冲的极化方向与Co磁化相反，并阐明了自旋转移力矩(STT)与热涨落的协同作用机制，为开发低能耗皮秒级自旋器件提供了关键理论依据。

　　在磁性材料中实现皮秒级的磁化操控是下一代自旋电子器件的核心挑战。传统铁磁体的超快退磁机制已被广泛研究，但多亚晶格亚铁磁体（如FeGd合金）因其独特的反平行磁矩排列和补偿温度特性，展现出更丰富的动力学行为。然而，自旋极化热电子(SPHE)脉冲与这类复杂材料的相互作用机制始终未明，特别是如何区分热效应与非热自旋转移力矩(STT)的贡献，以及SPHE的极化方向与驱动层磁化的关系等关键问题亟待解决。

德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心联合瑞典乌普萨拉大学等机构的研究团队，通过设计Co/Pt/Cu/Fe₇₄Gd₂₆自旋阀结构，利用飞秒激光激发Pt层产生SPHE脉冲，结合时间分辨X射线磁圆二色性(TR-XMCD)在Fe L₃和Gd M₅边的元素分辨测量，首次实现了对亚铁磁体双亚晶格超快退磁过程的原位观测。研究发现，当Co磁化与Fe亚晶格平行(P)时，Fe的退磁速率(470±80 fs)显著快于反平行(AP)构型(550±80 fs)，而Gd亚晶格则未表现出明显差异。通过原子自旋动力学模拟，团队建立了包含三温度模型(3TM)和STT效应的理论框架，意外发现SPHE的极化方向与Co磁化相反，且需要高达10¹⁴ A/m²的电流密度才能解释实验现象。

关键技术方法包括：1）采用磁控溅射制备具有垂直磁各向异性的Co/Pt多层膜和Fe₇₄Gd₂₆薄膜；2）在BESSY II同步辐射光源的飞秒切片束线实施TR-XMCD测量，时间分辨率达130 fs；3）基于UppASD代码开发包含化学浓度调制的原子自旋动力学模型，耦合电子-自旋-晶格三温度方程；4）通过静态XMCD确定自旋阀的磁构型，采用交替磁场序列实现P/AP状态控制。

研究结果部分：

1. Fe亚晶格的超快退磁动力学：TR-XMCD数据显示P构型下Fe L₃边退磁幅度达55%，特征时间比AP构型快80 fs。差异最大值出现在0.5 ps，持续至2 ps后消失，表明SPHE的角动量转移具有长尾效应。
2. Gd亚晶格的响应特性：Gd M₅边退磁幅度仅35%，特征时间900±50 fs，且P/AP构型无统计学差异。模拟表明高泵浦 fluence（3.2 mJ/cm²）下Gd的STT效应应为反向但较弱。
3. 理论模型的突破性发现：模拟首次揭示SPHE极化方向与Co磁化相反，源于fcc Co费米能级附近的少数自旋主导输运。STT与热效应的协同作用定量解释了双亚晶格的非对称响应。

结论与讨论指出，该工作通过实验与理论的深度耦合，解决了超快自旋电子学中三个关键问题：1）明确了SPHE极化方向与驱动层磁化的反向关系；2）建立了亚铁磁体中双通道角动量转移的定量模型；3）为设计基于反平行自旋输运的超低能耗存储器件提供了新思路。研究发表在《Nature Communications》的成果将推动补偿点工程、自旋极化源优化等技术的发展，最终实现亚皮秒磁存储的原型器件。