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超快自旋动力学：从飞秒磁学到阿秒磁学

The ultrafast spin dynamics：From femtosecond magnetism to attosecond magnetism

杨旭，冯红梅，刘佳南，张向群，何为，成昭华

物理学报, 2024, 73(15):157501

doi: 10.7498/aps.73.20240646

文章导读

超快自旋动力学研究磁性材料的磁矩在外场激发后随时间的演化过程。以超快脉冲激光激发为例，磁性材料在激发后经历超快退磁、磁矩恢复以及磁矩进动三个过程。目前超快自旋动力学研究各过程中的能量及角动量转移以及各部分的时间常数，以理解磁性材料中的相互作用等物理信息。随着超快激光技术的不断优化，激光脉冲宽度进一步的减小，人们于1987年首次发现高次谐波辐射，阿秒脉冲进入科学家的视野，这为凝聚态物理的发展带来很多实验基础。阿秒激光具有高光子能量和超短脉宽的特点，使研究亚飞秒时间下超快自旋动力学成为可能。将阿秒脉冲与磁学结合，可研究在阿秒时间尺度下的自旋动力学，产生一门全新的学科，即阿秒磁学。阿秒脉冲技术的发展可对磁有序的起源、亚飞秒至阿秒时间尺度下探索角动量的相互转移进行探究。这一新兴的领域为超快磁动力学的发展带来新的机遇与挑战。

《物理学报》2024年第15期特邀综述栏目邀请松山湖材料实验室与中国科学院物理研究所成昭华研究员团队撰写了“超快自旋动力学：从飞秒磁学到阿秒磁学”一文。文章介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题，包括超快退磁的机制与调控手段，全光磁反转的进展，超快自旋流与太赫兹（THz）波，超快退磁时间与阻尼因子之间的关系以及是否存在各向异性超快退磁过程等问题；阐述了阿秒磁学研究的机遇与挑战，以及超快磁学的发展方向，并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行了分析与展望。

该综述将为发展在阿秒时间尺度下的超快自旋动力学提供借鉴，为探索磁有序的根本起源、突破现有磁性量子理论的框架提供可能，探索利用阿秒激光脉冲相干调控电子自旋态的全新技术，最终达到光子与自旋相互作用时间的物理极限。最后，利用超快激光与磁性材料的相互作用，可发展探索电子自旋超快操纵技术，开发新一代超快信息存储器件。

图1 阿秒脉冲的产生与超快自旋动力学过程激光与铁磁性金属相互作用的热力学库

作者简介

成昭华

中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，磁性纳米结构与飞秒磁性课题组组长。

1996年获中国科学院物理研究所博士学位，1996—1998年作为洪堡学者在德国马普金属所工作，1999—2000年在加拿大Dalhousie大学物理系工作，2000年8月至今在中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室工作，2001年获国家杰出青年基金，曾任北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学研究部主任，磁学国家重点实验室主任。从1990年开始，一直从事磁性纳米结构与飞秒磁学、自旋电子学、新型间隙稀土永磁材料、微波磁性和穆斯堡尔谱学等磁学前沿领域的研究。主持国家科技部973项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目和中国科学院重大设备研制项目等多项。在Nature Commun., Adv. Mater., Phys. Rev. Lett., Nano. Lett., PNAS 等国际主要学术刊物上发表论文300余篇，被他人引用5000余次。申请国家发明专利3项。获2006年第九届中国青年科技奖、2005年北京市科学技术一等奖、1997年中国物理学会叶企孙物理奖、国家教委科技进步二等奖和甘肃省科技进步二等奖。目前主要学术兼职包括中国电子学会理事、会士、应用磁学分会主任委员,中国稀土学会稀土永磁专业委员会副主任委员，中国核物理学会穆斯堡尔专业委员会副主任委员，中国物理学会磁学专业委员会秘书长和IEEE Magnetic Society Senior Member等。