最近，上海市现代光学系统重点实验室和比勒费尔德大学、乌普萨拉大学、斯特拉斯堡大学、马克斯普朗克高分子研究所、苏黎世联邦理工学院和柏林自由大学的物理学家组成国际研究团队，开发了一种通过太赫兹辐射精确测量材料中磁性状态超快变化的方法，该研究以“超快太赫兹磁测量”为题，发表于《Nature Communications》期刊上。
磁存储器不仅需要使磁比特尺寸变得越来越小来获得更大的容量，而且其读写速度也变得越来越快。理论上，磁比特可以在小于1皮秒(1 ps = 10-12 s)的时间尺度内实现“翻转”，即其状态从“1”变为“0”，反之亦然。这将使得磁存储器能够以太赫兹(1 THz = 1 ⨯ 1012 Hz)的开关频率运行，相当于每秒太比特（Tbit/s）的数据速率。然而，如何迅速并且灵敏地探测到这种磁化状态的变化是实验科学的重大挑战，现有的超快磁探测方法都存在一些明显的不足，比如，只能在超高真空条件下使用，无法对封装后的材料进行测量等等。
当材料的磁化强度在皮秒时间尺度上发生变化时，其所引发的辐射将位于太赫兹频段。然而，这种被称为“磁偶极发射”的太赫兹辐射非常微弱，很容易被其他来源的辐射所掩盖。金钻明博士在该研究中，通过研究铁纳米薄膜上不同的覆盖层，实验上区分出磁偶极和电偶极引起的太赫兹发射，从而能进一步重构铁纳米薄膜中磁化动力学的精确时间演化过程。
图.太赫兹探测由超快电子和声学过程所引发的磁动力学示意图（图片:比勒费尔德大学/张文涛）
研究人员发现，向铁纳米薄膜照射非常短的激光脉冲，不仅实现其超快退磁，同时铁纳米薄膜的热膨胀在样品中产生了太赫兹频段的超声波脉冲。比勒费尔德大学物理学教授、这项研究的带头人Dmitry Turchinovich博士解释道，每当声波脉冲穿过铁纳米薄膜时，所产生的压力会使铁原子产生微小的移动，并进一步减弱材料的磁性。在如此快的时间尺度上，实验数据和第一性原理计算结果几乎完美吻合。研究结果表明，超快太赫兹磁测量实验方法能精确、灵敏地区分来自电子和声波不同物理起源的超快磁信号。
文章链接：
W. Zhang, P. Maldonado, Z. Jin, T. S. Seifert, J. Arabski, G. Schmerber, E. Beaurepaire, M. Bonn, T. Kampfrath, P. M. Oppeneer and D. Turchinovich: Ultrafast terahertz magnetometry. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-17935-6, published on 25 August 2020.