科學家發現了一種新的方法，可以利用少於一兆秒的光脈衝來控制磁鐵。這種方法能夠在沒有直接接觸或持續能量輸入的情況下，觸發異常強烈的磁運動。該研究由蘭卡斯特大學的研究人員領導，國際團隊展示了微妙的電子效應如何顯著增強磁鐵對超快光的反應。這些發現加深了對極高速磁性現象的理解，並可以指導設計更快速、更高效的技術。
研究團隊探索了極短的電磁脈衝如何影響固體材料內的磁化。這些脈衝會短暫擾動磁性順序，使自旋偏離其原始方向。研究人員測試了兩種密切相關的磁性材料，這些材料擁有相似的性質，但在電子軌道的結構上有所不同。軌道描述了電子如何在原子核周圍運動。經過超快光照射後，團隊分析了材料的磁性狀態。他們發現每種材料的反應強度有著顯著差異。在一種情況下，軌道運動與電子自旋之間的相互作用放大了這一效應。光脈衝產生的自旋偏轉比缺乏該相互作用的材料大十倍，這一結果顯示了軌道運動在磁性控制中的關鍵作用。
磁性源自電子。當電子繞著原子核運行並在其軸上旋轉時，每個電子都類似於一個微小的磁鐵，稱為自旋。這些自旋的集體行為決定了材料的磁性方向。在固體中，電子互相影響並與附近的原子相互作用。這些相互作用將自旋鎖定在優先的方向上，並定義了外部刺激如何輕易地移動它們。光能同時影響電子的軌道和自旋，當軌道運動與自旋強烈耦合時，反應會變得更強。研究人員表明，這種耦合使得光能更高效地轉移角動量，從而實現超快時間尺度上的快速磁化控制。
隨著控制能力的提高，磁化可以大幅偏離平衡，甚至在某些情況下完全反轉方向。這種控制是磁性數據存儲的核心，其中信息以 0 或 1 的形式根據磁性方向進行編碼。磁性材料在現代技術中仍然至關重要，數據中心依賴它們來存儲大量的信息，而智能手機和計算機則使用磁性傳感器進行導航和定位。改善磁性控制可以使這些系統變得更快、更節能。基於光的方法還能減少與電流相關的熱量和功率損失。
主要作者 Dr. Rostislav Mikhaylovskiy 強調了這項工作的更廣泛影響。他表示，「我們相信這一令人振奮的發現將刺激對於有效快速控制磁化機制的進一步研究，對於未來的量子技術具有重要意義。」研究人員計劃探索其他強軌道-自旋耦合的材料，同時也希望改進超快光學方法以應用於現實世界。這項研究顯示隱藏的電子運動能夠解鎖強大的新方法來操控磁鐵，並使科學家們更接近於以最快的速度控制磁性物質。該研究發表在《物理評論快報》期刊上。
