借助赛恩科学仪器SSI的 OE1022 锁相放大器研究成功从压电层 PMN-PT 耦合输出的复杂电信号中精准甄别并提取出交流磁场激发所对应的微弱同相、正交电压信号Vx和 Vy为 Fe3GeTe2高磁场下超快退磁过程的精准探测与机制解析提供了关键的信号检测支撑。中国科学院合肥物质科学研究院盛志高教授团队与荷兰Radboud大学A.V. kimel教授团队等在国际权威综合性期刊《National Science Review》上发表题为“Acceleration of ultrafast demagnetization in van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2in high magnetic field”的研究成果。该研究揭示了外部高磁场能够显著加速二维范德华铁磁体Fe3GeTe2FGT的超快退磁过程并调控其退磁效率。在210K居里温度下将外加磁场从1T提升至7T不仅将相同激光泵浦造成的退磁幅度从79%抑制到52%更将退磁过程从22.2ps大幅加速至9.9ps。自飞秒激光诱导铁磁体发生超快退磁现象被发现以来其内在的物理机制一直是超快磁学领域争论最激烈的核心课题之一。然而在过去近30年的研究历史中绝大多数的超快自旋动力学实验都在低于1T的极弱磁场下进行从而严重忽略了“外加高磁场”这一重要的调控自由度。随着单层极限下二维范德华vdW铁磁材料的发现如何在高磁场极端条件下探索并操控这类高各向异性材料的超快自旋动力学特征成为了该领域极具挑战的前沿空白。为探明磁场对自旋动力学的调制作用研究团队选用了具有较高居里温度的二维范德华铁磁体FGT并通过机械剥离制备了高质量的5nm晶体薄膜以避免厚块材因激光照射产生的热梯度干扰。研究人员运用时间分辨磁光克尔效应TR-MOKE光谱技术系统探究了其在高达7T磁场下的超快响应。实验发现FGT的退磁呈现出典型的两步过程极快的第一类TypeI与较慢的第二类TypeII退磁。更核心的发现是外加磁场能够极其显著地加速慢速退磁TypeII的时间尺度缩短幅度达70%同时大幅降低其退磁幅度。图1.FGT的晶体结构与静态磁化特性。(a)FGT晶体的层状结构示意图。(b)FGT单晶的X射线衍射(XRD)分析。(c)不同温度下测得的克尔旋转角θK随磁场沿c轴的变化关系。(d)FGT矫顽场HC从图1c提取随温度的变化。(e)零场冷却ZFC和场冷却FC模式下H0.1T沿c轴测得的FGT磁化强度随温度的变化曲线。图2.FGT自旋动力学的温度依赖性。(a)在1T磁场沿c轴下不同温度下测量的FGT时间分辨克尔旋转角随泵浦-探测延迟时间的变化曲线。(b)第一类(TypeI幅度A)和第二类(TypeII幅度B)退磁过程的退磁幅度随温度的变化关系。(c)第一类(τ1)和第二类(τ2)退磁过程的退磁时间随温度的变化关系。图3.磁场对FGT退磁过程的影响。(a)130K温度下不同外加磁场沿c轴测得的FGT薄片时间分辨克尔旋转角随延迟时间的变化曲线。(b)第一类(幅度A)和第二类(幅度B)退磁过程的退磁幅度随磁场的变化关系。(c)第一类(τ1)和第二类(τ2)退磁过程的退磁时间随磁场的变化关系。为从物理机制上解释这一高磁场加速退磁现象研究团队引入了不依赖于范德华材料特定电子结构的热力学三温度模型M3TM。在该框架下慢速退磁时间τs由自旋热容Cs与自旋-晶格热交换效率gsl共同决定。研究深入揭示施加高磁场迫使自旋排列更加有序极大地降低了磁化强度对温度升高的敏感度即显著减小了自旋熵与自旋热容Cs。在自旋-晶格耦合强度一定的情况下自旋热容的急剧下降直接导致了自旋与晶格之间热交换过程的显著加速从而完美契合了实验观察到的退磁加速现象。这项工作不仅在实验上证实了强磁场对超快退磁过程的显著加速能力更从热力学熵的普适性角度给出了机制解释。由于这种基于磁场抑制自旋熵的调控策略并不依赖于范德华材料特有的晶体或电子结构这意味着“高磁场控制超快退磁”应是一种普遍的物理现象有望广泛适用于其他各类型的磁性材料中。该成果为未来的超快自旋电子学提供了通过磁场自由度优化操作速度的新路径甚至有望应用于加速退磁以增强太赫兹波THz发射等前沿领域。【相关论文】Zhou Wang, Zhigao Sheng, et al. Acceleration of ultrafast demagnetization in van der Waals ferromagnet Fe₃GeTe₂ in high magnetic field[J]. National Science Review, 2025, 12(7):nwaf185. (Open Access)