来源：Simon Schmitt，德国亥姆霍兹国家研究中心联合会（Helmholtz Association of German Research Centres）；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 胡家俊 编译

    当今的数据传输速率仅为每秒几百兆字节，数字信息的获取速度仍然相对较慢。初步实验已经显示出一种很有前途的新策略：磁性状态可以通过短电流脉冲读出，最近在特制材料系统中发现的自旋电子效应可以消除以前的速度限制。

    HZDR和多特蒙德工业大学的研究人员正在证明这种超快数据源的可行性。他们在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上报告说，他们使用超短太赫兹光脉冲代替电脉冲，从而能够在皮秒内读出磁性结构。

    HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert博士解释说：我们现在可以利用光诱导电流脉冲更快地确定材料的磁性取向。在实验中，这位物理学家和他的团队使用了人眼看不见的光，即所谓的太赫兹辐射。

    这种光的波长不到一毫米，位于电磁波谱中的红外辐射和微波辐射之间。这种光的来源是HZDR的 ELBE辐射源，研究人员可以在这里产生极短而密集的太赫兹脉冲。事实证明，这些脉冲非常适合分析薄晶圆材料样品的磁化。

    样品由两层极薄的叠加层组成。对于下层，研究人员选择了由钴或铁镍合金等元素制成的磁性材料。上层由铂、钽或钨等金属组成。这些金属层的厚度都不超过三个纳米。

    戴纳特解释说：“只有当金属层如此薄时，材料才能被部分太赫兹辐射穿透。这种部分透明度是能够读取下层磁化的关键前提"。

    简单的材料，复杂的机制

    “在我们的实验中，太赫兹闪光会在光和物质之间产生各种相互作用，"HZDR离子束物理和材料研究所的Ruslan Salikhov 博士介绍说，他负责样品薄膜的生长。

    结合其他短脉冲光学激光器，研究小组成功地对薄晶圆层中的快速相对论量子效应进行了可视化和解码。首先，太赫兹脉冲通过其电场在上层金属中产生极短暂的电流。值得注意的是，电子按照其固有角动量（即自旋）的方向排列，产生了垂直于各层的自旋电流。

    在层与层之间的界面上，具有特定自旋方向的电子会迅速连续聚集。根据这些自旋的排列和下层的磁化方向，界面的电阻会发生变化。研究人员将这种效应称为单向自旋霍尔磁阻，简称USMR。

    几年前，苏黎世联邦理工学院的研究人员就发现了USMR效应，但 HZDR 和多特蒙德工业大学的团队现在已经取得了重大进展。得益于这种效应，研究人员可以利用极短的太赫兹脉冲快速读出磁化方向。他们确保自旋电流每秒改变方向万亿次。此外，由于 USMR效应，界面的电阻也会发生超快变化。因此，量子效应引起了太赫兹辐射本身的反应。

    多特蒙德工业大学的谢尔盖-科瓦廖夫博士说：“根据磁化方向，我们会在样品的透明度上产生快速波动。这以一种非常特殊的方式改变了太赫兹脉冲。太赫兹脉冲穿透样品后，会以两倍于原始太赫兹辐射的频率振荡，即所谓的 “二次谐波 ”频率”。科瓦廖夫总结说：“我们可以精确地探测到这种振荡，从而在皮秒内确定下层的磁化情况。”

    利用太赫兹辐射不仅可以读出磁存储数据，还可以写入磁存储数据，这项工作已经在进行中。不过，研究小组认识到，将这一基础研究成果转化为超快硬盘可能需要相当长的时间。这将需要更加紧凑的短太赫兹脉冲源以及分析这些脉冲的高效传感器。

    尽管如此，超快USMR效应凸显了相对简单的材料系统中的复杂机制，这些机制可能在未来超快磁存储器应用的发展中发挥重要作用。

    更多信息：Ruslan Salikhov 等人，《太赫兹光场驱动的超快单向自旋霍尔磁阻》，《自然-通讯》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41467-025-57432-2