相干自旋波驱动的高速反铁磁畴壁运动

《Nature Communications》：High-speed antiferromagnetic domain walls driven by coherent spin waves

本研究针对反铁磁材料中畴壁高速操控的难题，通过超快激光脉冲激发相干自旋波，在室温反铁磁绝缘体Sr2Cu3O4Cl2中实现了速度高达~50 km/s的畴壁定向运动。该工作首次通过时空分辨二次谐波成像技术直接观测到畴壁动力学，并发现其运动方向可由泵浦激光螺旋性与畴壁卷绕数共同调控。这一机制为超快反铁磁自旋电子学器件设计提供了新思路。

　　

在追求更快、更节能的信息存储与处理技术的道路上，自旋电子学器件的发展一直面临着关键挑战：如何实现磁畴壁的高速可控运动。传统铁磁材料虽易于操控，却易受杂散磁场干扰且存在能耗较高的局限性。反铁磁材料因其对外场不敏感、潜在超高运行速度等优势，成为新一代自旋电子学器件的理想候选者。其中，利用磁振子（自旋波的量子）驱动畴壁运动被认为是一种极具潜力的低耗散方案。然而，如何在孤立的反铁磁畴壁附近产生相干自旋波，并同时精确测量其超快动力学行为，一直是实验物理学家难以逾越的鸿沟。

针对这一难题，发表于《Nature Communications》的最新研究报道了一种突破性方法。研究人员利用超快激光脉冲激发相干自旋波，成功驱动了反铁磁畴壁的高速运动，并开发了一种直接绘制其时空动力学图谱的技术。这项研究不仅实现了创纪录的畴壁运动速度，还揭示了一种独特的双向控制机制。

关键技术与方法

本研究综合运用了多项先进技术：1） 利用助熔剂法生长高质量Sr₂Cu₃O₄Cl₂单晶样品；2） 通过宽场二次谐波成像技术可视化反铁磁畴和畴壁；3） 结合泵浦-探测技术和时间分辨二次谐波成像，以飞秒级时间精度和微米级空间分辨率追踪畴壁动力学；4） 基于平均场理论构建一维数值模型，模拟奈尔矢量的演化过程。

反相奈尔型反铁磁畴壁的创建与表征

研究首先展示了如何利用外加磁场和激光加热技术，在Sr₂Cu₃O₄Cl₂中可控地创建和定位反相畴壁。通过偏振宽场二次谐波成像，团队观察到了对应于垂直磁矩取向的明暗磁畴区域。有趣的是，通过扫描成像激光，反相畴壁可被"拖拽"至不同位置，这是由于激光诱导的高斯温度分布产生了熵扭矩所致。对畴壁宽度的测量显示其宽度πλ约为9微米，远大于典型反铁磁体中的畴壁尺寸（10-100纳米），这种宽畴壁特性源于材料的大交换相互作用J₁与相对较弱的面内易轴各向异性。

螺旋性依赖的畴壁动力学时空映射

通过时间分辨泵浦-探测二次谐波成像技术，研究人员直接捕捉到了超快光诱导的反铁磁畴壁运动。

实验发现，左旋和右旋圆偏振泵浦光驱动畴壁向相反方向运动，而线性偏振光则几乎不产生畴壁位移。这一现象排除了光诱导磁各向异性的可能。更令人惊奇的是，畴壁运动方向不仅取决于泵浦光螺旋性，还与畴壁本身的卷绕数符号相关——改变卷绕数符号会反转固定泵浦螺旋性下的运动方向。

相干自旋波驱动畴壁运动的机制

为阐明光驱动畴壁运动的物理本质，研究团队提出了一个直观图像：在易平面反铁磁体中，奈尔型畴壁内的自旋以顺时针或逆时针方式旋转。超快激光脉冲通过激发相干自旋波（面内模式）引起奈尔矢量的局部旋转。圆偏振光沿±z方向注入自旋角动量，使Cu_I亚晶格磁矩朝向±z方向倾斜，通过交换相互作用产生奈尔矢量的面内旋转。泵浦光螺旋性因此设定了奈尔矢量的初始旋转方向，进而决定了畴壁的初始运动方向。

高速畴壁运动的定量分析与模拟对比

定量分析显示，畴壁在最初约100皮秒内快速移动，最大速度达到约50 km/s，比铜酸盐中的纵声波速度快一个数量级，但比Sr₂Cu₃O₄Cl₂的大磁振子群速度小约四倍。

通过建立基于平均场磁能的一维数值模型，研究人员成功复现了实验观察到的关键特征，包括螺旋性依赖性、卷绕数依赖性、微米级净位移、快速运动及缓慢恢复平衡等动力学行为。

研究结论与意义

本研究确立了光诱导相干面内反铁磁自旋波作为驱动快速定向畴壁运动的有效机制，这一机制可推广至其他具有易平面各向异性的磁体。通过优化驱动协议（如采用不同泵浦能量），有望实现更高的反铁磁畴壁速度，并研究相对论效应。此外，该工作提供了前所未有的清晰且丰富的畴壁动力学视角，有助于完善超越简单一维模型的理论计算。研究成果将激励更广泛地探索各类相干反铁磁自旋波与反铁磁体中自旋织构的相互作用，为超快反铁磁自旋电子学开辟了新机遇。