用自旋電子學器件控制磁化時，通常需要數奈秒的時間，要比傳統的半導體電晶體速度慢了一個數規模。東京大學研究生院的工學研究科Le Duc Anh副教授、小林正起副教授、武田崇仁特任助教、田中雅明教授的研究團隊，與該大學理學研究科的研究生鷲見壽秀、物性研究所的堀尾真史助教、松田巌教授的研究團隊、分子科學研究所的山本航平助教、理化學研究所(簡稱「理研」)放射光科學研究中心的久保田雄也研究員、矢橋牧名主管研究員、高輝度光科學研究中心(JASRI)大和田成起主幹研究員的研究團隊共同合作，在含有強磁半導體銦鐵砷（In,Fe）As的半導體量子井結構上，照射30飛秒脈衝雷射，成功地在600飛秒的短時間内實施了強化磁化。這一研究成果爲實施超高速低功耗自旋電子元件和量子元件開闢了新的方向。相關研究成果已發表在《Advanced Materials》上。
圖1:（左圖）本研究使用的測量系統。將超短調速泵浦光（紅外光）照射到強磁半導體銦鐵砷（In,Fe）As / 非磁性半導體砷化銦InAs組成的量子井結構中，用與之起伏同步的探測光（XFEL）來觀測量子井内強磁矩的時間變化。由於強磁性量子井的磁化，反射的XFEL的偏振面會發生旋轉（Kerr旋轉），並透過旋轉偏振板和光電偵檢器對其進行檢測。（右圖）光電偵檢器檢測到的XFEL的反射強度反映了強磁性量子井的磁化情況。泵作用光射入後，在600飛秒（區域I）的極短的時間内強化了磁化。這是世界首次透過控制波函數實施超高速磁化控制的實證案例。（供圖：東京大學）
在實驗中，透過將超短調速泵浦光（紅外光）照射到強磁半導體銦鐵砷（In,Fe）As / 非磁性半導體砷化銦InAs組成的量子井結構中，用與之起伏同步的探測光（X射線自由電子雷射：XFEL）來觀測量子井内強磁矩的時間變化。由於強磁性量子井的磁化，反射的XFEL的偏振面會發生旋轉（Kerr旋轉），並透過旋轉偏振板和光電偵檢器對其進行檢測。光電偵檢器檢測到的XFEL的反射強度反映了強磁性量子井的磁化情況。以泵作用光射入長度爲30飛秒的脈衝雷射，在600飛秒的極短時間内強化磁化。這是世界首次透過控制波函數實施超高速磁化控制的實證案例。
透過分析實驗結果和理論計算反復類比，發現飛秒脈衝雷射產生的載流子（電子和電洞）不與強磁性半導體層内的Fe磁矩直接發生相輔作用。但這些空間電荷產生的表面位能導致侷限在量子井内的二維電子波函數以及隨之變化的電子密度分布發生了急劇變化，結果使得Fe磁矩之間的磁性相輔作用迅速強化，從而揭示了（由Fe磁矩總和引起的宏觀磁序）磁化的強化。
傳統的強磁性材料爲了強化磁化，需要大幅改變材料的d軌道或f軌道電子密度，而透過電場效電晶體的柵極電壓等電學手段來超高速且大量地控制材料的電子密度是非常困難的。與此相對，本次實施的透過波函數控制超高速磁化的方法不同於改變載體濃度的傳統方法，而是用半導體内的波函數來進行控制的，這一點具有跨時代性的意義。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Advanced Materials
論文：Ultrafast subpicosecond magnetisation of a two-dimensional ferromagnet
DOI：10.1002/adma.202301347
