ACS Nano 综述：光控磁性与器件发展

随着对数据存储密度和运行速度的需求不断增长，对传统介质以外控制磁化强度的要求也不断提高。在当前的半导体技术领域，器件尺寸越来越小的趋势导致单位散热量增加，这对信息处理速度和存储密度造成了极大限制。流行的冯诺依曼架构将存储和计算单元分开，这导致了组件之间频繁的数据传输，这种能源密集型过程会引入延迟，从而导致所谓的“内存墙瓶颈”，阻碍计算效率和速度。自旋电子学有望通过在处理速度和存储密度方面提供潜在的进步来克服这些挑战，从而解决内存墙的限制。在开发自旋电子学时，准确控制磁性材料的磁性状态是主要挑战。当前自旋电子学研究的主要目标是以节能的方式产生纯自旋电流。理想情况下，这些自旋电流应在不使用充电电流的情况下产生，否则会导致能量和磁损失。随着对能效和多功能性的需求不断增长，利用光调控磁性，以及将光伏材料整合到磁电系统中引入了更多物理效应。这一发展同时预示着未来阳光在操纵自旋方向中将发挥越来越重要的作用。因其高速、非接触和灵活性等特点，光控制磁性可以在快速磁存储和自旋电子学领域有着广阔的发展前景。光与磁相互作用的理论及应用自19世纪开始发展，发展过程中的里程碑在图1中得到了总结。

图1. 光的分类与调制方式及光控磁发展过程中的里程碑

常州大学材料科学与工程学院周子尧教授等人从现有的光与磁之间相互作用的应用入手，对目前的光控制磁理论和应用进行了总结，并导入了一种利用光精确控制磁性和自旋态的新方法，这对于满足数据存储密度提高和处理速度增加的需求至关重要。该综述介绍并总结了各种光源类型对磁性的影响，包括偏振光和非偏振光与磁性相关的研究，探讨了不同光磁作用机理，如磁光效应、光诱导磁相变和自旋光伏效应等机制。综述重点关注光控磁性的关键应用，例如超快激光泵浦和全光开关，强调光感磁相变的关键作用以及利用太阳光控制磁性的器件研究（如图2所示）。将光伏材料集成到磁电系统中为设备设计增加了另一个维度，从而能够利用阳光控制自旋方向。最后，本文最后讨论了光控磁领域的挑战和前景，这可能会激发该领域的进一步研究和重大发展。

图2. 近年关于光控制磁性地相关研究

该综述以“Perspectives: Light Control of Magnetism and Device Development（新视角：光控磁性与器件发展）”为题发表在美国化学学会期刊ACS Nano上，该综述第一作者为常州大学材料科学与工程学院方凝。

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