飞秒激光脉冲：实现合成反铁磁体中 RKKY 耦合与垂直磁各向异性的光学调控新突破

为解决反铁磁自旋电子学中外部磁场响应弱及 RKKY 耦合调控难题，研究人员以 [Co/Pt] 基垂直磁各向异性合成反铁磁体（p-SAF）为对象，用飞秒激光激发研究。结果表明激光可降低 RKKY 耦合和 PMA，为超快磁数据存储提供新途径。

　　在现代科技飞速发展的浪潮中，电子设备的性能提升成为众多科研人员追逐的目标。自旋电子学作为一个新兴领域，有望为电子技术带来革命性的突破。其中，反铁磁自旋电子学凭借其高磁场稳定性和超快的操作速度，吸引了众多研究者的目光。然而，就像任何新生事物都有其成长的烦恼一样，反铁磁自旋电子学也面临着严峻的挑战。它对外部磁场的响应十分微弱，这使得传统的磁控制方法难以施展拳脚，就好比一把钥匙难以打开一把生锈的锁，极大地限制了其在实际中的应用。

合成反铁磁材料（SAF）的出现，给这个领域带来了新的希望。它就像是一把特制的 “万能钥匙坯”，其相对较弱的交换耦合特性，为反铁磁器件的发展提供了广阔的空间。SAF 通常由两个被金属或绝缘间隔层隔开的铁磁层组成，这两个铁磁层通过鲁德曼 - 基特尔 - 粕谷 - 约西达（RKKY）型交换相互作用实现磁耦合，这种相互作用就像是一条无形的 “纽带”，连接着两个铁磁层。以往的研究发现，电场可以对 RKKY 耦合进行调控，但这种调控方式存在着诸多弊端，比如在金属 SAF 结构中，电荷积累受限，离子迁移还可能导致化学或结构的复杂性增加。

此时，光学控制的优势就凸显出来了，它就像一位神通广大的 “魔法师”，具备制造简单、可深入内部界面以及灵活性高等优点。但是，在之前的研究中，光学控制在 SAF 中的应用一直是一个空白，就像一片未被探索的神秘大陆，等待着勇敢的科研人员去揭开它的面纱。

为了攻克这些难题，来自南京大学自旋电子学国家重点实验室、电子科学与工程学院等多个机构的研究人员组成了一支科研 “先锋队”，踏上了探索之旅。他们以 [Co/Pt] 基垂直磁各向异性合成反铁磁体（p-SAF）为研究对象，开展了一项关于光学控制 RKKY 耦合和垂直磁各向异性（PMA）的研究。最终，他们取得了令人瞩目的成果，实现了飞秒激光脉冲对 RKKY 耦合和 PMA 的光学控制，这一成果就像一颗璀璨的星星，照亮了自旋电子学的发展道路，对高效磁化翻转具有重要意义，相关论文发表在《Nature Communications》上。

研究人员为了开展这项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是高真空磁控溅射技术，利用该技术在 Si 衬底上生长出实验所需的样品；其次，采用振动样品磁强计（VSM）在室温下测量样品的静态磁性能；最重要的是，运用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）技术来研究样品的磁化动力学，该技术通过脉冲钛宝石再生放大器产生的激光进行激发和探测。

研究结果

1. SAF 样品结构和静态磁性能：研究人员制备的 SAF 样品结构为 Ta (4)/Pt (4)/[Pt (0.6)/Co (0.6)]₄/Ru(0.8)/[Co(0.6)/Pt(0.6)]₂/Ta (2) 。通过 VSM 测量其面外磁滞回线发现，上下铁磁层呈反铁磁耦合，可在外磁场作用下形成四种不同的磁化状态。从磁滞回线中能够提取出反铁磁耦合场（H_ex）和矫顽力（H_C），H_ex与 RKKY 交换耦合相关，而 [Co/Pt]₂软层的矫顽力 H_C也能被准确测量。
2. TR-MOKE 测量：通过 TR-MOKE 测量不同泵浦能量密度下的瞬态小磁滞回线，研究人员发现随着泵浦能量密度增加，H_ex和 H_C均下降，且下降幅度相近。同时，H_ex和 H_C对泵浦 - 探测延迟时间的依赖性较弱，在 10 ps 内基本保持稳定，这表明飞秒光脉冲引起的 H_ex和 H_C变化与瞬态磁化幅度无关。此外，改变泵浦光的圆偏振态，H_C和 H_ex均不受影响，说明光诱导的畴壁传播在此处不起作用。
3. 温度相关的小磁滞回线：研究人员通过超导量子干涉仪（SQUID）和 MOKE 测量不同温度下的小磁滞回线，发现随着静态温度升高，H_ex明显降低，而 H_C基本保持不变。这一结果排除了热效应在飞秒激光激发下对 H_ex和 H_C同时变化起主要作用的可能性。

研究结论与讨论

研究人员通过一系列实验，首次实现了飞秒激光脉冲对合成反铁磁体中 RKKY 耦合和 PMA 的光学控制。他们发现，飞秒激光激发导致 Ru 层中费米能级（E_F）下移，进而使费米波矢（k_F）减小，RKKY 耦合减弱；同时，E_F的变化引起 Pt/Co 界面电子重新分布，导致 PMA 降低。而且，不同的泵浦激发过程（如 400 nm 和 800 nm 激光激发）对调控效果有影响。

这项研究成果意义重大，它不仅建立了 p-SAF 结构中 RKKY 耦合和 PMA 之间的联系，为同时调控它们提供了新方法，还为理解飞秒激光脉冲调制 RKKY 相互作用和 PMA 的机制提供了重要依据。在实际应用方面，有望推动超快磁数据存储技术的发展，就像为未来的高速存储设备打开了一扇新的大门，让数据的读写更加高效快捷，为自旋电子学领域的发展注入了新的活力，在未来的电子技术发展中，极有可能引发一场新的变革。