Plasmonic Metasurfaces for Magnetic Skyrmion Control via the Inverse Faraday Effect
本文展示了一种确定性的、超快的、全光学的磁斯格明子写入与擦除方法，该方法利用磁等离激元超表面通过逆法拉第效应产生同步的皮秒磁场脉冲，从而克服了热激发在高速拓扑数据存储中的随机性限制。
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在追求构建更快、更小、更高效计算机的过程中，科学家们长期以来一直关注着某些材料中存在的微小磁性旋涡。这些被称为磁斯格明子（magnetic skyrmions）的旋涡是稳定的、粒子状的磁性结，可以紧密堆叠在一起以存储数据。由于它们体积如此之小且移动所需的能量极低，它们被认为是下一代存储设备和计算系统的理想候选者。然而，一个主要的障碍一直阻碍着它们的使用：虽然科学家可以移动这些磁性结，但按需创建或销毁它们却一直很困难。现有的方法通常依赖于加热材料，这一过程具有不可预测性，并且可能会损坏这些脆弱的结构。这就像试图用热气吹动纸牌屋；你可能让纸牌动起来，但你无法保证它们恰好落在哪里，也无法保证在不弄倒整个结构的情况下如何将其拆解。
一支研究团队现在提出了一种处理这些磁性结的不同方法，这种方法完全避开了热量，转而使用光。通过将一种特殊的银盘图案与一层磁性薄膜相结合，他们展示了一种在万亿分之一秒内写入、擦除和重塑这些磁性结构的方法。这一过程的关键是一种被称为反法拉第效应（inverse Faraday effect）的现象。当圆偏振光（即在传播过程中会旋转的光）击中银盘时，它并不仅仅是加热银盘。相反，它会推动金属内部的电子形成紧密的循环流动。这种流动的电流会在金属表面产生一个强大的局部磁脉冲。这个脉冲足够强大，能够扭转相邻薄膜中的磁矩，从而迫使它们形成一个斯格明子；或者，如果光线的参数经过不同调整，则可以使其解开扭转，使薄膜恢复到平坦、均匀的状态。
研究人员设计了一个覆盖着六边形网格微型银盘的表面，每个银盘宽约120纳米。他们选择这种特定的排列方式，是因为它能产生共振——即一种光波在完美同步中来回反射的状态，从而极大地放大这种效应。当他们向该表面射入具有特定自旋方向的激光脉冲时，银盘产生了一个强度约为0.6特斯拉的磁场脉冲。该脉冲直接作用于位于银盘正上方的钴、铝、铂层组成的磁性薄膜。在模拟这些材料行为的计算机模拟中，仅需一个持续20皮秒的激光脉冲就足以确定性地创建一个稳定的斯格明子。这一过程并非随机的；光线的自旋方向决定了磁性结形成的精确方式。
这项发现之所以特别重要，在于其可逆转的过程。研究人员发现，通过简单地翻转光的自旋方向，他们就可以控制磁性结的命运。如果磁性薄膜处于微弱外磁场的固定状态下，反向的脉冲会完全解开斯格明子，将其擦除并使薄膜变得完美平滑，为新数据的存储做好准备。这提供了一种非破坏性的删除信息的方法，而这是以往热力学方法所缺失的特征。更令人惊讶的是，如果研究人员移除那个固定的磁场，同样的反向光脉冲并不会擦除斯格明子，而是将单个磁结转化为一种更复杂的结构，称为斯格明离子（skyrmionium），它由两个同心磁环组成。这种在不同拓扑态之间切换的能力——即创建磁结、擦除它或将其变为双环结构——表明了一种在单个位置存储多个比特信息的新途径。
模拟显示，整个循环发生在皮秒量级的时间尺度上，这比现代计算机处理器的速度快一千倍。该过程依赖于光产生一个瞬态磁场，引导材料经过一条特定的路径：首先形成一个临时的磁性环，然后该环弛豫成一个稳定的磁结。研究人员指出，虽然他们的工作是通过使用真实材料属性的详细计算机建模完成的，但其中涉及的物理原理是完全成熟且易于理解的。他们还回应了关于所需能量的疑虑，指出在现实世界的实验中，实际所需的激光功率可能远低于模拟结果所示，从而保证了脆弱的银结构不会受到损坏。通过证明光可以直接且可逆地控制这些磁性纹理而不产生热量，这项工作为开发高速、可重构的设备开辟了道路，这些设备有望彻底改变我们存储和处理信息的方式。
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