超快全相干自旋翻转的时间与光谱特征

未来的信息技术要求极快、低损耗的量子控制。强光场已经促成了重要的里程碑，例如诱导新颖物态、弹道加速电子或相干翻转谷赝自旋。这些动力学留下了独特的特征，例如特征带隙或高次谐波辐射。在由势垒分隔的两个状态之间切换技术上最重要的量子属性——自旋——最快且损耗最小的方式是触发全相干进动。使用皮秒电场和磁场的开创性实验与理论已暗示了这种可能性，但观测实际动力学仍难以实现。在此，我们展示太赫兹（1 THz = 10$^{12}$ Hz）电磁脉冲允许自旋相干地越过势垒，并揭示了相应的时间与光谱特征。这一目标通过将反铁磁 TmFeO$_{3}$ 中的自旋与定制天线的局域增强太赫兹电场耦合而实现。在 1 ps 的脉冲持续时间内，强太赫兹脉冲突然改变磁各向异性并触发大振幅弹道自旋运动。特征的相位翻转、磁子共振的不对称分裂以及法拉第信号的长期偏移是相干自旋切换到相邻势极小值处的标志，与数值模拟一致。可切换的自旋态可由外部磁偏置选择。低损耗和天线的亚波长空间定义可促进以太赫兹速率运行的可扩展自旋器件。