一、【科学背景】
反铁磁材料因其低杂散场、对外磁场不敏感以及高频动力学特性，在下一代自旋电子学应用中受到广泛关注。其中，反铁磁外尔半金属 Mn₃Sn 因其非共线自旋结构在室温下表现出显著的反常霍尔效应、反常能斯特效应和磁光克尔效应，成为研究热点。然而，尽管已有研究报道了电流诱导 Mn₃Sn 中磁八极矩的翻转，但其超快翻转机制尚未明确，尤其是翻转过程中是否存在非热过程仍存在争议。本文通过超快时间分辨磁光克尔效应成像技术，首次实现了对多晶 Mn₃Sn 薄膜中电流诱导磁八极矩翻转动力学的时空分辨观测，揭示了两种不同的翻转机制：一种是非热过程，另一种是温度辅助过程。尽管已有研究报道了电流诱导 Mn₃Sn 中磁八极矩的翻转，但其超快翻转机制尚不明确。
二、【科学创新】
近日，来自日本京都大学的Kazuma Ogawa和Ryo Shimano教授利用超快磁光克尔效应成像技术，对多晶 Mn₃Sn 薄膜中电流诱导的翻转动力学进行了时空分辨观测，电流脉冲最短可达 140 ps。结果表明，根据电流脉冲的强度和持续时间，存在两种不同的翻转机制：一种是不需要反铁磁序瞬态熔化的非热过程，另一种是依赖于加热至磁有序温度以上的温度辅助过程。本研究突显了 Mn₃Sn 在超快磁记录器件中的潜力。相关成果以“Ultrafast time-resolved observation of non-thermal current-induced switching in an antiferromagnetic Weyl semimetal”为题发表在国际材料领域顶级期刊Nature Materials期刊上。
图 1：实验装置与器件特性©2025 Springer Nature
a. 实验装置示意图。插图为器件结构及磁八极矩翻转示意图。平行于外磁场的电流注入可使由六个 Mn 磁矩组成的磁八极矩在“上”和“下”状态之间翻转。
b. 器件俯视示意图。蓝色区域为 Mn₃Sn（14 nm）/Ta（5 nm）区域，绿色区域为用于霍尔电流检测的接触区域。
c. 在 1 ms 电流脉冲作用下翻转的静态 MOKE 图像。黑色虚线表示器件边缘。比例尺：4 µm。
d. 1 ms 电流脉冲下霍尔电压（红色）和 MOKE 信号（蓝色）随峰值电流密度 j 的变化。
e. 570 ps 电流脉冲下霍尔电压随 j 的变化。
图 2：Mn₃Sn 薄膜中电流诱导的翻转动力学©2025 Springer Nature
a. 注入的 570 ps 电流脉冲波形。
b. 诱导的克尔椭圆率动力学。红色（蓝色）表示初始状态为 ηK = +1（ηK = -1）的动力学数据。
c. ηK,+ 在不同延迟时间下的 TR-MOKE 图像。
d, e. τp = 240 ps 电流脉冲的波形（d）和动力学（e）。
f, g. τp = 140 ps 光电流脉冲的波形（f）和动力学（g）。
图 3：翻转动力学的电流振幅依赖性©2025 Springer Nature
a. 不同电流振幅下 570 ps 电流脉冲的波形。
b. j = 1.1 × 10¹² A m⁻² 时的动力学，仅显示部分去磁化，无翻转。
c. j = 1.4 × 10¹² A m⁻² 时的动力学，显示翻转并伴随瞬态高温态。
d. 大电流密度下 MOKE 响应区域的扩展。
图 4：面内磁场对电流诱导动力学的影响©2025 Springer Nature
a.不同面内磁场下的dR/R 动力学（双折射动力学）。
b, c.初始状态为 ηK=+1（b）和 ηK =-1（c）的克尔椭圆率动力学。
d.手性自旋旋转（CSR）驱动的磁八极矩翻转示意图。
三、【科学启示】
这项研究首次在实验上直接观测到反铁磁外尔半金属Mn₃Sn中存在两种电流诱导磁翻转机制：非热相干翻转与温度辅助翻转。它证实了手性自旋旋转理论，揭示超快翻转无需熔化磁有序，为理解自旋轨道力矩的本质提供了关键时空证据。研究发展的超快磁光成像方法，实现了对亚纳秒自旋动力学的分辨。这标志着通过脉冲工程可主动选择翻转路径，为设计超快、低功耗的自旋电子器件奠定了原理基础，并推动了反铁磁材料迈向太赫兹频段应用的探索。
论文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02402-8
本文有虚谷纳物供稿
