PRL发表我们利用等离激元热效应调控磁性的新思路

长期以来，发热一直被认为是限制电子学和自旋电子学技术发展的关键瓶颈。尤其是在依赖电流驱动的磁性器件中，这一问题更加突出。如何在降低能耗的同时实现对磁性的有效调控，是当前领域面临的重要挑战。在这项工作中，袁怀洋老师和合作者提出一种截然不同的思路：与其抑制发热，不如将发热转化为一种可利用的资源。他们利用金属纳米结构中的等离激元实现了可控的纳米尺度加热，并证明这种加热过程不仅不是负担，反而能够成为驱动磁体翻转的关键物理机制。相关成果近日发表在Physical Review Letters上，并被选为Editors’ Suggestion，浙江大学物理高等研究院为第一完成单位，袁怀洋老师是文章的第一作者和通讯作者，合作者包括复旦大学的吴义政教授和德国美因茨大学的Olena Gomonay教授。该成果是袁怀洋课题组在等离激元自旋电子学领域取得的系列成果的延续，受到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

具体而言，研究团队发现：等离激元激发产生的非均匀热场，可以通过热应变直接驱动反铁磁序的切换。为研究这一机制，他们构建了金纳米框架与反铁磁薄膜组成的简单复合结构，如图1（a）所示。当光照射到金属纳米结构上时，金属中的电子会发生集体振荡，即等离激元激发。这个过程在纳米尺度上产生高度局域且空间分布不均匀的热效应。由于加热具有明显的方向性，磁体内部会形成各向异性的热应变场。研究发现，该应变通过磁弹耦合进一步作用于反铁磁序，相当于在反铁磁奈尔矢量上施加了一个方向可控的等效力矩，从而驱动其翻转。

更有意思的是，不同偏振方向的光会激发不同方向的等离激元激发模式，因此仅通过改变入射光的偏振方向，就能够选择性地产生不同方向的热应变场，实现两个正交反铁磁畴之间的可逆切换，如图1（b）所示。相比传统电流驱动方案，这种光学方案所需能量降低了3到6个数量级。

总之，这一工作展示了一种完全不同于传统思路的磁控机制：在过去，人们一直努力抑制发热，而在这里，发热本身转化成了一种可利用的操控资源。这个发现不仅为反铁磁体的全光学操控提供了新的物理机制，也为等离激元自旋电子学这个新兴交叉领域的发展提供了新的思路。

图1：（a）金纳米框和反铁磁复合结构示意图。（b）不同偏振激光脉冲照射下复合结构的温度和磁体内产生的热应变场示意图。箭头表示反铁磁体内部自旋的取向。

最后，袁怀洋课题组致力于探索磁学和自旋电子学领域的新现象和新物理，长期招聘博士、博后、访问学者，欢迎有兴趣的同学和老师联系(hyyuan@zju.edu.cn)。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cx1z-rt2d

Editors’ Suggestion:

Nanoscale heating engineered through plasmonic excitation enables magnetic information processing and may provide a solution to the problem of heat waste, a major obstacle for green information technologies.