隨著對數(shù)據(jù)存儲密度和運行速度的需求不斷增長，對傳統(tǒng)介質(zhì)以外控制磁化強度的要求也不斷提高。在當前的半導體技術(shù)領(lǐng)域，器件尺寸越來越小的趨勢導致單位散熱量增加，這對信息處理速度和存儲密度造成了極大限制。流行的馮諾依曼架構(gòu)將存儲和計算單元分開，這導致了組件之間頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，這種能源密集型過程會引入延遲，從而導致所謂的“內(nèi)存墻瓶頸”，阻礙計算效率和速度。自旋電子學有望通過在處理速度和存儲密度方面提供潛在的進步來克服這些挑戰(zhàn)，從而解決內(nèi)存墻的限制。在開發(fā)自旋電子學時，準確控制磁性材料的磁性狀態(tài)是主要挑戰(zhàn)。當前自旋電子學研究的主要目標是以節(jié)能的方式產(chǎn)生純自旋電流。理想情況下，這些自旋電流應(yīng)在不使用充電電流的情況下產(chǎn)生，否則會導致能量和磁損失。隨著對能效和多功能性的需求不斷增長，利用光調(diào)控磁性，以及將光伏材料整合到磁電系統(tǒng)中引入了更多物理效應(yīng)。這一發(fā)展同時預示著未來陽光在操縱自旋方向中將發(fā)揮越來越重要的作用。因其高速、非接觸和靈活性等特點，光控制磁性可以在快速磁存儲和自旋電子學領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。光與磁相互作用的理論及應(yīng)用自19世紀開始發(fā)展，發(fā)展過程中的里程碑在圖1中得到了總結(jié)。

圖1. 光的分類與調(diào)制方式及光控磁發(fā)展過程中的里程碑

常州大學材料科學與工程學院周子堯教授等人從現(xiàn)有的光與磁之間相互作用的應(yīng)用入手，對目前的光控制磁理論和應(yīng)用進行了總結(jié)，并導入了一種利用光精確控制磁性和自旋態(tài)的新方法，這對于滿足數(shù)據(jù)存儲密度提高和處理速度增加的需求至關(guān)重要。該綜述介紹并總結(jié)了各種光源類型對磁性的影響，包括偏振光和非偏振光與磁性相關(guān)的研究，探討了不同光磁作用機理，如磁光效應(yīng)、光誘導磁相變和自旋光伏效應(yīng)等機制。綜述重點關(guān)注光控磁性的關(guān)鍵應(yīng)用，例如超快激光泵浦和全光開關(guān)，強調(diào)光感磁相變的關(guān)鍵作用以及利用太陽光控制磁性的器件研究（如圖2所示）。將光伏材料集成到磁電系統(tǒng)中為設(shè)備設(shè)計增加了另一個維度，從而能夠利用陽光控制自旋方向。最后，本文最后討論了光控磁領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和前景，這可能會激發(fā)該領(lǐng)域的進一步研究和重大發(fā)展。

圖2. 近年關(guān)于光控制磁性地相關(guān)研究

該綜述以“Perspectives: Light Control of Magnetism and Device Development（新視角：光控磁性與器件發(fā)展）”為題發(fā)表在美國化學學會期刊ACS Nano上，該綜述第一作者為常州大學材料科學與工程學院方凝。

Perspectives: Light Control of Magnetism and Device Development

Ning Fang, Changqing Wu, Yuzhe Zhang*, Zhongyu Li*, and Ziyao Zhou*

ACS Nano?2024,?18, 12, 8600–8625

Publication Date: March 12, 2024

? 2024 American Chemical Society