太赫兹脉冲诱导FePS₃中的长寿命亚稳态磁化

在量子材料科学的前沿研究中，近期发表于《自然》的论文《Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS₃》展示了一项令人振奋的发现。由Batyr Ilyas及其团队领衔的这项研究，揭示了如何使用强度极高的太赫兹（THz）脉冲在铁磷硫（FePS₃）材料中诱导出一种长寿命的亚稳态磁化。

FePS₃及太赫兹场实验

FePS₃是一种已知具有反铁磁特性的层状材料，其中晶格中的相邻自旋方向相反。这一特性使FePS₃成为磁性研究的有趣对象，特别是在自旋电子学和量子计算中的潜在应用。理解外场如何影响FePS₃的磁性状态有助于推动利用其独特特性的新技术的发展。

在这项研究中，研究人员使用强度很高的THz脉冲来探测和操纵FePS₃的磁性状态。太赫兹辐射位于电磁波谱中的微波和红外区域之间，特别适合研究和影响复杂材料的动态而不会显著加热它们。这一非热效应对维持量子材料的状态平衡至关重要。

亚稳态磁化的发现

该论文的主要发现是THz脉冲在FePS₃中诱导出一种亚稳态磁化。亚稳态是一种在有限时间内稳定的状态，然后最终过渡到更稳定的状态。值得注意的是，FePS₃中诱导的亚稳态磁化持续超过2.5毫秒，在磁性现象的背景下，这是一个相当长的时间。研究发现，随着温度接近反铁磁转变点（Néel温度），这种亚稳态变得更加稳定。

研究人员推测，临界点附近的参数波动在这种稳定性增强中起到了关键作用。在临界点附近，临界参数的波动变得显著，这可以稳定THz场诱导的亚稳态磁化。这个发现突显了量子材料中热动态和磁动态的复杂相互作用。

理论见解和模拟

为了更深入理解这一现象背后的机制，研究人员结合使用第一性原理计算、经典蒙特卡罗模拟和自旋动力学建模。这些理论工具使他们能够探索特定声子模式（晶格振动的量子化形式）如何与FePS₃的磁性状态相互作用。

模拟表明，特定声子模式的位移可以调节FePS₃中的交换耦合。Néel温度附近交换相互作用的这种调制可以在反铁磁性的材料中产生有限的磁化。这些见解对于解释观察到的亚稳态磁化和预测其他材料中类似行为至关重要。

对未来研究和应用的意义

这项研究的发现对基础研究和技术应用都具有重要意义。通过THz脉冲控制和操纵材料的磁性状态，为开发超高速和节能磁性设备开辟了新的途径。这种控制对自旋电子学领域尤其具有前景，因为自旋电子学使用电子的自旋而非电荷来存储和处理信息。

此外，该研究还强调了探索量子材料中临界现象的潜力。临界点附近亚稳态稳定性的增强表明，可以采用类似策略在其他材料中发现隐藏的量子状态。这一方法可能导致新物质状态和新量子效应的发现，这些效应在其他情况下难以观察到。

结论

论文《Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS₃》代表了我们理解外场如何影响量子材料磁性特性的一次重要进展。通过THz脉冲在FePS₃临界温度附近诱导的长寿命亚稳态磁化的发现，为理论探索和实际应用都提供了新的可能性。