GIST、POSTECH确认利用线偏振光诱导瞬态磁性
两种原子振动的耦合是关键……有望推动下一代自旋器件研究
在不具备磁性的半导体上照射光线后，材料暂时显现出磁性。同一种半导体在单层时不会出现这一现象，叠成双层后却观测到了磁性。韩国研究团队发现，奥秘在于两种原子振动之间的耦合。这项研究展示了利用光快速调控物质磁性、发展下一代信息处理技术的可能性。
光州科学技术院（GIST）物理与光科学系教授Shin Dongbin和浦项科技大学（POSTECH）物理系教授Kim Dongeon组成的联合研究团队，利用光照射不具磁性的二维半导体，诱导出瞬态磁性并阐明其原理。该校于12日公布了这一消息。研究成果于5日刊登在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
双层堆叠的二硒化钼（MoSe₂）半导体受光照后诱发瞬态磁性的原理及实验结果。左侧为磁性诱导示意图，右上为原子振动，右下为照射线偏振光时观测到的磁信号。研究团队供图。
View original image单层时不显磁性，双层时却显现出来
研究团队使用的材料是由钼原子和硒原子构成的二维半导体“二硒化钼（MoSe₂）”。团队分别对单原子层和双原子层半导体照射光线，并比较由此产生的变化。
实验使用了电场沿一个方向振动的“线偏振光”。此前的研究主要关注利用电场方向旋转的“圆偏振光”控制电子自旋的方法。自旋是电子像微小磁铁一样发挥作用的性质，利用其方向处理信息的技术正受到关注。
室温实验结果显示，单层半导体没有出现磁信号。相比之下，双层半导体中清晰观测到了磁性产生时出现的光偏振旋转信号。这证实了仅靠线偏振光、无需外部磁场或圆偏振光，也有可能诱导磁性。
研究团队从原子的运动中寻找原因。双层之间相互靠近和远离的“层间呼吸振动”，与各层内部硒原子运动产生的“伸缩振动”相互耦合，形成复杂的原子运动。分析认为，这一过程中产生了相当于对电子自旋施加磁场的效果，从而诱导出瞬态磁性。
研究团队实际确认了频率为0.9太赫兹（THz）的层间呼吸振动，以及频率为5.1太赫兹（THz）的硒原子伸缩振动。理论预测的两种振动也在实验中得到观测，为磁性诱导原理提供了支持。
室温下也可持续数十皮秒，展现超高速调控潜力
研究团队通过改变光强、光能量和半导体温度，分析了磁信号的变化。光越强，磁信号越强；光能量接近1.55电子伏特（eV）时，信号最为显著。这与半导体内部电子和空穴结合所需的能量一致。
研究团队还发现了温度带来的差异。温度降低时，磁信号会减弱并迅速消失；而在室温下，原子振动更为强烈，照射光线后信号可持续数十皮秒。1皮秒为1万亿分之一秒。
GIST与POSTECH联合研究团队合影。（从左起）浦项科技大学（POSTECH）物理学系博士Seo Mingyo、GIST物理与光科学系硕博连读生Kim Hanbyeol、教授Shin Dongbin、浦项科技大学（POSTECH）物理学系教授Kim Dongeon。
View original image这项研究的意义在于，它展示了利用光和原子振动，即使在不具磁性的物质中也能产生瞬态磁性。不过，研究尚未实现对实际半导体器件中的磁性进行稳定调控或存储信息。要进一步发展为利用自旋处理信息的自旋电子学以及超高速信息处理技术，仍需开展更多研究。
GIST教授Shin Dongbin表示：“这项研究证实，光激发的原子振动以及层间相互作用，在诱导磁性方面发挥着重要作用。尤其是，研究展示了可以借助原子振动这一媒介，将光与物质的自旋联系起来，这一点意义重大。”
POSTECH教授Kim Dongeon表示：“我们在实际的双层半导体中确认了理论预测的磁性诱导现象，并通过实验考察了原子振动与磁信号之间的关系。希望这一成果能成为拓展利用光和原子振动调控物质磁性研究的契机。”
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