中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)磁學(xué)國家重點實驗室成昭華研究組在中國科學(xué)院科研裝備研制項目的支持下，成功研制出同時具有高磁靈敏度、高時間分辨和高空間分辨的磁動力學(xué)探測系統(tǒng)，時間分辨到達(dá)100fs，空間分辨0.5μm。

隨著自旋電子學(xué)器件工作的頻率越來越高，研究磁性材料中的超快自旋動力學(xué)成為當(dāng)前研究熱點。超快脈沖激光泵浦探測(pump-probe)的方法由于具有飛秒時間分辨，故而在磁性薄膜超快自旋動力學(xué)的研究中得到廣泛應(yīng)用。近年來發(fā)現(xiàn)，金屬磁性材料被飛秒激光脈沖泵浦后，磁性材料的磁化強度迅速降低，甚至可能降為零，從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變到順磁態(tài)，整個過程能在幾百飛秒內(nèi)完成，這種現(xiàn)象被稱為超快退磁。飛秒激光脈沖泵浦磁性材料導(dǎo)致的超快退磁現(xiàn)象蘊含豐富的物理內(nèi)容，涉及到如電子、晶格和自旋間在非平衡態(tài)下的量子多體相互作用等基本物理問題，從而開辟了磁學(xué)研究的一個新的方向-飛秒磁學(xué)。

自旋角動量的耗散一直是超快退磁研究的中心問題。傳統(tǒng)理論認(rèn)為自旋角動量的耗散是自旋通過與其它準(zhǔn)粒子，如聲子、磁振子等發(fā)生散射來完成的。最近的理論認(rèn)為自旋角動量的耗散除了散射外，還要考慮自旋輸運。激光脈沖輻照會導(dǎo)致熱電子，熱電子在磁性材料中運動會導(dǎo)致自旋角動量的轉(zhuǎn)移形成自旋流，從而影響超快退磁。以往的研究中發(fā)現(xiàn)，超快自旋流能夠發(fā)生在全金屬的自旋閥結(jié)構(gòu)中。如果將該結(jié)構(gòu)的中間非磁金屬層換成絕緣層變成隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，上下兩層磁性薄膜間沒有形成自旋流，其磁化狀態(tài)的改變并不影響超快退磁過程。

最近該組何為副研究員、張向群副研究員、楊海濤副研究員、成昭華研究員等人與北京散裂中子源靶站譜儀工程中心的朱濤研究員合作，在鈷鐵硼隧道結(jié)樣品中，采用氧化鎂作為中間絕緣層，觀察到超快的自旋隧道流。相比平行排列，兩層鐵磁層磁矩在反平行時，自旋隧道流不但使退磁幅度增加，而且使得超快退磁過程加快了25%。這個發(fā)現(xiàn)表明，在CoFeB/Mgo/CoFeB磁性隧道結(jié)中，超快退磁過程可通過熱電子隧穿過程來調(diào)控，為隧道結(jié)自旋電子學(xué)器件的超快退磁和高頻應(yīng)用提供一種新途徑。相關(guān)工作已于近期發(fā)表在ScientificReports32883(2013)上。

以上研究工作得到了科技部“973”項目，國家自然科學(xué)基金和中科院科研裝備研制項目的支持。