【概述】
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院盛志高教授團(tuán)隊(duì)與荷蘭Radboud大學(xué)A.V. kimel教授團(tuán)隊(duì)借助賽恩科學(xué)儀器（SSI）的 OE1022 鎖相放大器，成功從壓電層 PMN-PT 耦合輸出的復(fù)雜電信號(hào)中，精準(zhǔn)甄別并提取出交流磁場(chǎng)激發(fā)所對(duì)應(yīng)的微弱同相、正交電壓信號(hào)（Vx和 Vy），為 Fe3GeTe2 高磁場(chǎng)下超快退磁過程的精準(zhǔn)探測(cè)與機(jī)制解析提供了關(guān)鍵的信號(hào)檢測(cè)支撐。

【正文】
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院盛志高教授團(tuán)隊(duì)與荷蘭Radboud大學(xué)A.V. kimel教授團(tuán)隊(duì)等在國(guó)際權(quán)威綜合性期刊《National Science Review》上發(fā)表題為“Acceleration of ultrafast demagnetization in van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2 in high magnetic field”的研究成果。該研究揭示了外部高磁場(chǎng)能夠顯著加速二維范德華鐵磁體Fe3GeTe2（FGT）的超快退磁過程，并調(diào)控其退磁效率。在210K（居里溫度）下，將外加磁場(chǎng)從1T提升至7T，不僅將相同激光泵浦造成的退磁幅度從79%抑制到52%，更將退磁過程從22.2ps大幅加速至9.9ps。

自飛秒激光誘導(dǎo)鐵磁體發(fā)生超快退磁現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其內(nèi)在的物理機(jī)制一直是超快磁學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)論最激烈的核心課題之一。然而，在過去近30年的研究歷史中，絕大多數(shù)的超快自旋動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)都在低于1T的極弱磁場(chǎng)下進(jìn)行，從而嚴(yán)重忽略了“外加高磁場(chǎng)”這一重要的調(diào)控自由度。隨著單層極限下二維范德華（vdW）鐵磁材料的發(fā)現(xiàn)，如何在高磁場(chǎng)極端條件下探索并操控這類高各向異性材料的超快自旋動(dòng)力學(xué)特征，成為了該領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的前沿空白。

為探明磁場(chǎng)對(duì)自旋動(dòng)力學(xué)的調(diào)制作用，研究團(tuán)隊(duì)選用了具有較高居里溫度的二維范德華鐵磁體FGT，并通過機(jī)械剝離制備了高質(zhì)量的5nm晶體薄膜，以避免厚塊材因激光照射產(chǎn)生的熱梯度干擾。研究人員運(yùn)用時(shí)間分辨磁光克爾效應(yīng)（TR-MOKE）光譜技術(shù)，系統(tǒng)探究了其在高達(dá)7T磁場(chǎng)下的超快響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GT的退磁呈現(xiàn)出典型的兩步過程：極快的第一類（TypeI）與較慢的第二類（TypeII）退磁。更核心的發(fā)現(xiàn)是，外加磁場(chǎng)能夠極其顯著地加速慢速退磁（TypeII）的時(shí)間尺度（縮短幅度達(dá)70%），同時(shí)大幅降低其退磁幅度。

圖1.FGT的晶體結(jié)構(gòu)與靜態(tài)磁化特性。

(a)FGT晶體的層狀結(jié)構(gòu)示意圖。
(b)FGT單晶的X射線衍射(XRD)分析。
(c)不同溫度下測(cè)得的克爾旋轉(zhuǎn)角θK隨磁場(chǎng)（沿c軸）的變化關(guān)系。
(d)FGT矯頑場(chǎng)HC（從圖1c提取）隨溫度的變化。
(e)零場(chǎng)冷卻（ZFC）和場(chǎng)冷卻（FC）模式下（H=0.1T，沿c軸）測(cè)得的FGT磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。

圖2.FGT自旋動(dòng)力學(xué)的溫度依賴性。

(a)在1T磁場(chǎng)（沿c軸）下，不同溫度下測(cè)量的FGT時(shí)間分辨克爾旋轉(zhuǎn)角隨泵浦-探測(cè)延遲時(shí)間的變化曲線。
(b)第一類(TypeI，幅度A)和第二類(TypeII，幅度B)退磁過程的退磁幅度隨溫度的變化關(guān)系。
(c)第一類(τ1)和第二類(τ2)退磁過程的退磁時(shí)間隨溫度的變化關(guān)系。

圖3.磁場(chǎng)對(duì)FGT退磁過程的影響。

(a)130K溫度下，不同外加磁場(chǎng)（沿c軸）測(cè)得的FGT薄片時(shí)間分辨克爾旋轉(zhuǎn)角隨延遲時(shí)間的變化曲線。
(b)第一類(幅度A)和第二類(幅度B)退磁過程的退磁幅度隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。
(c)第一類(τ1)和第二類(τ2)退磁過程的退磁時(shí)間隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。

為從物理機(jī)制上解釋這一高磁場(chǎng)加速退磁現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)引入了不依賴于范德華材料特定電子結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)三溫度模型（M3TM）。在該框架下，慢速退磁時(shí)間（τs）由自旋熱容（Cs）與自旋-晶格熱交換效率（gsl）共同決定。研究深入揭示，施加高磁場(chǎng)迫使自旋排列更加有序，極大地降低了磁化強(qiáng)度對(duì)溫度升高的敏感度（即顯著減小了自旋熵與自旋熱容Cs）。在自旋-晶格耦合強(qiáng)度一定的情況下，自旋熱容的急劇下降直接導(dǎo)致了自旋與晶格之間熱交換過程的顯著加速，從而完美契合了實(shí)驗(yàn)觀察到的退磁加速現(xiàn)象。

這項(xiàng)工作不僅在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)超快退磁過程的顯著加速能力，更從熱力學(xué)熵的普適性角度給出了機(jī)制解釋。由于這種基于磁場(chǎng)抑制自旋熵的調(diào)控策略并不依賴于范德華材料特有的晶體或電子結(jié)構(gòu)，這意味著“高磁場(chǎng)控制超快退磁”應(yīng)是一種普遍的物理現(xiàn)象，有望廣泛適用于其他各類型的磁性材料中。該成果為未來(lái)的超快自旋電子學(xué)提供了通過磁場(chǎng)自由度優(yōu)化操作速度的新路徑，甚至有望應(yīng)用于加速退磁以增強(qiáng)太赫茲波（THz）發(fā)射等前沿領(lǐng)域。

【相關(guān)論文】
✽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)