Photonics Insights 2022年第2期封面文章：
Xinwei Li, Dasom Kim, Yincheng Liu, Junichiro Kono. Terahertz spin dynamics in rare-earth orthoferrites[J]. Photonics Insights, 2023, 1(2): R05
导读
三国时期刘备骑乘的马名为“的卢马”，其眼下有泪槽，额边生白点，相传是匹凶马，骑则妨主。刘备知道这些传言，颠沛流离的时候仍然一直将它安养在身边。一次，刘备在荆州赴宴时遇到追杀，接到密报后骑着的卢出逃。在仓皇中迷失方向，连人带马困在一处溪涧中央，称为檀溪。檀溪有数丈宽，水流湍急，一般马匹极难渡过。
此时，后方的追兵逼近，前方是数丈高的溪岸，刘备进退两难，陷入绝境。他叹了一句：“的卢，的卢，今日妨吾”，便打算听天由命。忽然，的卢马猛地从水中腾空而起，一跃三丈，成功登上对岸。而追兵被檀溪阻隔，刘备得以逃脱。的卢马名为妨主，实则救主。
量子力学中的“的卢马”
量子力学领域中也有一匹的卢马，叫“电子的自旋”。20世纪上半叶，施特恩和盖拉赫两位科学家提出并用实验证实了一个惊人的发现，一个电子除三维运动轨道以外，还有一个叫做自旋的自由度。自旋是一个完全内禀的物理量，不能用位置、动量、时间等变量表示，因此完全不存在经典物理的对应。虽然被称为自旋，它不可被看作是微观粒子的自身旋转。
如此非直观的一个自由度起初给量子力学带来了不小的麻烦。人们发现量子力学最基本的方程——薛定谔方程，并不能独立推出自旋的存在。但施特恩-盖拉赫实验又指出，自旋必须存在。于是，物理学家泡利不得不引入一个二乘二的自旋矩阵来代表这个自由度，然后“硬”加到薛定谔方程中；虽然当时他不清楚为什么可以这么做，但结果是修正后的方程经得起领域在多个场合的检验。这个问题一直到相对论量子力学的发展才得以被顺利解释。
近年，人们发现自旋除了作为一个“棘手”的基本物理量，用于检验并推进理论框架的发展，还可作为信息的载体，广泛应用在电子器件中，对家家户户常用的硬件，例如电脑、记忆闪存片、硬盘等都能进行升级。
为何如此呢？这是因为目前的电子器件最基本的组成单元是晶体管，简单来说是一种电流的开关。关闭电流代表数字0，打开代表数字1。各个晶体管按需控制开关的次数，间隔，和时长，一段时间内便能给出由0和1组成的信号串，也就能构成二进制信号的基本单元。这些信号在众多晶体管中传输，经门电路调制，具备了基本运算的功能。
任何能代表数字0和1的可观测量都称为“比特”。如同当今常用的电流开关能作为比特一样，自旋也可作为一种完美的比特。据施特恩-盖拉赫实验的观测，电子自旋有两种分立的取值，自旋上和自旋下，恰好可以与比特需要代表的0和1两种数字一一对应，如图1所示。
用自旋比特作为信息载体最重要的优势——快。晶体管处理信息的速度与所能达到的开关频率成正比。传统晶体管通过门电压调制电流，受其工作原理的限制，速度极限在GHz量级，也就是109 次/秒，这也是目前即使是最先进的单核CPU的时钟频率仍在GHz的原因。而自旋比特可轻松突破此极限；固体材料中自旋动力学过程大都在太赫兹，THz (1012 次/秒)频段，比GHz频段快了三个数量级。
太赫兹频段的自旋动力学过程虽为制备超高速电子器件提供有利条件，但却给试图理解其基本物理原理的研究者们造成了困难。既然自旋变化的速度远高于传统电子电路、微波、射频技术可达到的最快速度，那么这些传统技术无法直接观测它，更无法精准地调控它。
宋代豪放派文人辛弃疾赋“马作的卢飞快，弓如霹雳弦惊”，用以形容沙场征战之激烈；从另一角度，该壮词亦含物理思想。战场瞬息万变，若想击中像的卢马一样快的敌军战马，则需用如雷霆霹雳一般的弓矢。若想精准探测自旋动力学过程，则需用比自旋更快的时间分辨手段。目前能达到这一条件的，只有超快光谱技术。
聚焦超快光谱技术，探究自旋电子学
加州理工学院物理系李昕蔚研究员与莱斯大学应用物理系讲席教授Junichiro Kono受邀撰写了题为“THz spin dynamics of rare-earth orthoferrites”的综述论文，发表于Photonics Insights 2022年第2期并选为“封面文章”，他们结合自身研究背景，介绍了超快光谱技术在自旋电子学的应用。论文聚焦于最重要的自旋电子学材料体系——稀土铁氧化物（RFeO3），详述了该材料对太赫兹自旋电子学的重要性不亚于硅对半导体物理学的重要性。
论文指出，以超快光学手段为基础的太赫兹自旋电子学研究在近年呈爆炸式增长，主要有两方面原因：
（1）高功率飞秒激光的发展。飞秒（10-15 s，其特征频率是1015 Hz）比自旋动力学所处的太赫兹频段还高出三个数量级，现今实验室中激光可轻松输出具有飞秒量级宽度和毫焦量级能量的超短脉冲，因而为精准地在时域上探测自旋状态铺设了道路；
（2）理论计算方法的大幅优化。在固体环境中，自旋不可能单独演化，其动力学过程必将与其他自由度，例如晶格、电荷、电子轨道，高度耦合。理论计算为实验提供指引，需对真实材料体系中的复杂多体相互作用予以考虑，同时也需要频繁处理非平衡态下的复杂物理效应。现今高速发展的时域密度泛函理论、动力学平均场论、重整化群理论和张量网络等计算方法都有重要意义。
该综述主要在“对自旋波的光探测和光调制”的大框架下 ，围绕四个核心的科学问题进行展开，如图2所示。
探测自旋动力学过程
自旋是磁性固体的内禀属性，即使不对材料进行激发，在动力学意义上也具有固有模式，模式的本征频率和色散关系。人们把光脉冲考虑成对材料的微扰，将自旋从平衡位置上微微推离。而光场撤走后，自旋回归平衡的过程将由本征进动主导，称为“自旋波”。
此时若用另一个探测光脉冲与材料相互作用，自旋波的信息将可被此光脉冲读取。这种泵浦-探测的方法构成光探测自旋动力学的基石。近年来此技术经过演化，发展出了时域太赫兹谱学技术。
由脉冲光产生的太赫兹波可与自旋波直接共振耦合，直观读取自旋进动频率和退相干过程。其探究的问题主要是固体体系在各自的磁相中自旋的稳态采取何种构型，自旋波的退相干又受到哪些外部条件影响。光探测太赫兹自旋动力学是未来发展自旋晶体管的基础，也逐渐成为凝聚态物理中对磁学体系进行表征的重要手段。
自旋严重偏离稳态的动力学过程
当泵浦光场被增强至非微扰的参数区间时，则需考虑自旋严重偏离稳态的动力学过程。在此情况下，光场可选择性地激发材料中的若干自由度，如电荷和晶格，从而大幅调制材料的宏观自由能势能面。自旋在新的自由能势能面下可能采取和平衡态完全不同的构型，这就是光致磁相变的原理。使用脉冲光对自旋进行超快调制在本世纪初由欧洲率先开始发展，如今已成为自旋电子学研究的焦点，主要探究的是自旋调制中速度极限的问题。
更值得一提的是，相干自旋波在受光场激发后的非平衡态下可能呈现非线性效应，可将其类比成钟摆摆动幅度过大时计时将不再准确。此时，自旋波将相互耦合，研究人员可用一束自旋波调控另一束自旋波。这对未来研发全自旋波逻辑门具有重要指导意义。
走向自旋电子学的未来
太赫兹自旋电子学是朝气蓬勃的领域。它不仅为解决凝聚态物理中的若干重要问题（例如高温超导、重费米子、量子磁性物质）提供指引，未来更有可能是研发超高速电子电路、光电子器件、新型磁性存储器件、量子器件的关键突破口。
科学编辑 ｜加州理工学院 李昕蔚
作者简介
李昕蔚，加州理工学院Troesh冠名博后研究员。2014年本科毕业于复旦大学物理学系，2019年博士毕业于莱斯大学电子工程系。主要研究兴趣：超快光谱学，关联电子材料中的光致非平衡态现象，以及太赫兹自旋电子学。至今发表25篇期刊文章，其中以一作身份发表Science两篇，Nature Photonics 一篇，Physical Review Letters 两篇。
Junichiro Kono，莱斯大学电子工程系Karl F. Hasselmann讲席教授，应用物理系系主任，APS fellow，OSA fellow，SPIE fellow。长期从事半导体/磁性材料超快光谱学，高磁场光谱学和碳纳米管等方向研究工作。负责研发了RAMBO脉冲高磁场低温光学系统，率先在光谱学领域内实现半导体量子阱与光学腔场的超强耦合，并在碳纳米管中首次观测到Aharonov-Bohm效应。同时致力于美国与日本间的国际交流与合作，创办了NanoJapan，Tomodachi STEM@Rice等教育项目，于2008年被国际教育学院授予Heiskell Award for Innovation。
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