数据存储新突破：科学家成功实现按需改变范德瓦尔斯磁体

导读：只有原子厚度的范德瓦尔斯磁体（van der Waals magnets）在业内被公认为是未来磁性数据存储和快速数据处理的最终紧凑介质。

只有原子厚度的范德瓦尔斯磁体（van der Waals magnets）在业内被公认为是未来磁性数据存储和快速数据处理的最终紧凑介质。然而事实证明，想要实时控制这些材料的磁性状态是困难的。不过现在由代尔夫特理工大学（TU Delft）领导的一个国际研究小组已经成功地利用光学特性来按需改变范德瓦尔斯反铁磁体的各向异性 (anisotropy)，为新的、极其有效的数据存储手段铺平道路。

Oscillating Spins Crop

虽然构成范德瓦尔斯磁体的原子层看起来非常脆弱，但它们的强度要比钢铁强大 200 倍。不幸的是，这种机械强度并不一定能转化为强大的磁力特性。其原因是，在二维空间中，这些磁体的磁序变得特别容易受热。任何高于绝对零度（-273°C）的温度都会激活微观自旋方向的随机波动，这可能会使磁秩序完全崩溃。

抵消热各向异性的唯一方法是将磁旋转更多地粘在材料的某些方向，也就是物理学家口中的诱发“磁各向异性”（magnetic anisotropy）。这样做使磁旋更难改变其方向，从而使其排序温度（称为居里温度）远远高于绝对零度。换句话说，控制低维磁体中的各向异性，为控制其排序温度铺平了一条直接的道路，从而控制磁力本身。

在他们的研究中，这个由来自荷兰、西班牙和乌克兰的研究人员组成的国际团队使用超短光脉冲（比一秒钟短一万亿倍），来诱导二维范德瓦尔斯反铁磁体中的磁各向异性。那么为何想到会使用光呢？Andrea Caviglia 博士解释说：“因为它是一个非常方便的控制按钮。你可以简单而迅速地打开和关闭它，从而按需操纵各向异性，这正是我们想要开始使用这些材料进行高效数据存储所需要的”。

通过系统地改变从可见光到近红外光的颜色，科学家们还发现，并非每一种类型的光都能产生磁各向异性。为了诱发这一特性，光的颜色需要与改变电子的轨道状态所需的能量相匹配。也就是说：要改变电子围绕带正电的原子核旋转的方式。由于电子自旋和它的轨道运动紧密相连，光的激发诱发了各向异性，这导致了二维自旋波运动。

代尔夫特理工大学的博士生Jorrit Hortensius说：“这种运动是连贯的--整个自旋集合在高频下同相运动。"这是一个优雅的、同时也是几乎通用的解决方案，可以在几乎任何二维磁体中操纵磁各向异性”。在这个原理验证实验中，研究小组表明，各向异性可以在极短的时间内被光诱导，几乎与光脉冲的持续时间相同。然而，在实际应用中，磁体的变化需要持续更长的时间。

科学家们希望，具有更长持续时间的光脉冲可能有助于实现这一目标。目前在雷根斯堡大学工作的 Dmytro Afanasiev 博士说："我们希望更长的光脉冲甚至可以促进磁秩序超过平衡有序温度，这样我们就可以实时观察有序状态如何从磁混乱中产生。这肯定会增加我们对这些范德瓦尔斯磁体中磁性的理解"。