近日，英国威廉希尔公司威廉希尔赵巍胜教授、张博宇助理教授团队与法国洛林大学让·拉莫尔研究所Michel Hehn教授团队合作，在超快反铁磁调控领域取得重要进展。团队基于CoGd/IrMn（亚铁磁/反铁磁）异质结，成功实现了单个飞秒激光脉冲下的界面交换偏置和反铁磁自旋调控，并通过时间分辨实验和原子级仿真揭示了反铁磁超快动态过程。本工作首次提供了一种在亚皮秒时间尺度上对反铁磁进行直接和确定性操控的方法。2024年3月3日，相关研究成果以“Single-Shot Laser-Induced Switching of an Exchange Biased Antiferromagnet”为题在国际著名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表。

磁随机存储器（MRAM）以磁性材料的磁阻状态存储信息，在高性能数据存储和计算方面极具应用前景。MRAM近来逐渐面向处理器高速缓存等应用场景，对存储器件集成密度和读写速度的要求进一步提高。反铁磁材料作为下一代存储器技术的潜在候选者，展现出明显的优势：首先，反铁磁材料具有可忽略的宏观磁性，使得反铁磁材料对外部磁场具有鲁棒性；其次，宏观磁性的缺失使得相邻比特之间不存在偶极相互作用的影响，避免了相邻单元之间杂散场干扰造成的数据误差，从而实现更高密度的数据存储；最后，反铁磁材料具有太赫兹范围的高频动力学特性，理论上可以实现比铁磁器件更快的写入速度。然而，相互交错并完全补偿的磁矩排布，使得反铁磁材料的磁化状态难以使用电学或者光学手段直接进行高效调控和读取。

为了解决这一难题，团队将CoGd亚铁磁合金引入反铁磁交换偏置体系，在IrMn/CoGd异质结中，首先研究了垂直交换偏置场在不同IrMn厚度和CoGd组分下的依赖性；其次，基于优化后的结构，实现了反铁磁交换偏置的单脉冲全光翻转，并深入探究了激光功率和脉冲数对交换偏置场的影响；接着，利用时间分辨磁光克尔测试技术，实现了时间尺度100 ps内的交换偏置翻转；最后，通过原子级仿真预测了反铁磁的亚皮秒超快动态，仿真结果表明在飞秒激光引起的超快退磁后，每个IrMn晶粒在2 ps内重新再磁化为单畴态，并且不同IrMn晶粒之间展现出独立且随机的概率性翻转。

图1 IrMn/CoGd异质结中的单飞秒激光脉冲交换偏置翻转

图2 时间分辨磁光克尔测试和原子级仿真结果

IrMn/CoGd体系不仅允许对具有高奈尔温度的反铁磁材料进行超快、无外磁场和高效的控制，同时也提供了一种在超快时间尺度上直接调控反铁磁状态的方法。利用CoGd亚铁磁合金的超快磁翻转特性，团队实现了反铁磁在太赫兹范围内的交换偏置翻转，为进一步研究和开发基于反铁磁材料的高速存储器提供了重要的理论和实验基础。

北航威廉希尔郭宗夏博士、广东工业大学王君林副教授为本论文共同第一作者，我院赵巍胜教授、张博宇助理教授、法国洛林大学Michel Hehn教授为论文通讯作者，英国威廉希尔公司为第一单位。其他合作者包括法国洛林大学Stéphane Mangin教授，英国约克大学Roy W. Chantrell教授、Richard F. L. Evans教授和徐永兵教授。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划（111计划）等项目的支持。

2017年，英国威廉希尔公司与法国洛林大学签署了联合双学位博士培养项目，在培养多名博士生的同时也在全光翻转和超快磁动力学方向展开紧密的科研合作，并取得一系列进展。合作相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）、《先进材料》（Advanced Materials）、Physical Review Applied等国际知名期刊。

论文原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311643

Zongxia Guo, Junlin Wang, Gregory Malinowski, Boyu Zhang, Wei Zhang, Hangtian Wang, Chen Lyu, Yi Peng, Pierre Vallobra, Yong Xu, Yongbing Xu, Sarah Jenkins, Roy W. Chantrell, Richard F. L. Evans, Stéphane Mangin, Weisheng Zhao, Michel Hehn, Single-Shot Laser-Induced Switching of an Exchange Biased Antiferromagnet. Adv. Mater. 2024, 2311643.