从超快退磁到超快自旋电子学：三十年的历程

1996 年飞秒激光诱导超快退磁的发现开辟了一个新领域——飞秒磁学，在该领域中，磁序可以在短于皮秒的时间尺度上被淬灭。这一开创性观测表明，角动量能够以前所未有的速度从自旋系统中转移出去，引发了为理清非平衡态下电子、声子与自旋角色而展开的密集研究。很快人们发现，超快退磁会产生自旋翻转、自旋极化、磁振子与自旋电流，为角动量流提供了新通道。这些洞察为将飞秒磁学与自旋电子学联系起来奠定了基础。这一演进中标志性的突破是在诸如 GdFeCo 的稀土-过渡金属（RE-TM）亚铁磁体中观测到的与螺旋性无关的单脉冲全光翻转（AOS）。该机制在飞焦耳量级能量下运行且无需外加磁场，确立了 RE-TM 合金作为在飞秒时间尺度上理解并利用角动量流的基准系统。基于这些概念，超快光学激发与自旋电子器件的结合已在自旋阀和隧道结（包括无稀土系统）中展示了由飞秒脉冲驱动的确定性磁化反转。超快自旋注入的作用类似于自旋转移力矩，但运行速度快三个数量级，允许铁磁层与亚铁磁层均发生反转。通过实现超快且节能的翻转，超快自旋电子学有望为高速信息处理提供可扩展技术，同时提出了关于在强烈偏离平衡的量子材料中角动量转移的基本问题。