科学家首次捕捉到磁极翻转的瞬间

现代计算机始终依赖物理系统来表示0和1，从打孔卡片、金属棒到真空管、晶体管，莫不如此。随着算力需求不断攀升，科学家正寻找更快、更节能的新方案。反铁磁材料是一条有希望的路径——虽然它们整体看起来没有磁性（内部自旋相互抵消），但其精细的磁结构仍可用于新型数字信息存储。过去人们知道锰锡（Mn₃Sn）这类反铁磁体能极快翻转磁状态，却不清楚翻转是否真能在几皮秒到几十皮秒内完成，也不清楚翻转过程中磁状态究竟如何变化。一个核心疑问是：驱动自旋翻转的究竟是电流本身，还是电流产生的热量？为解开谜题，研究团队设计了一套超快时间分辨实验：在锰锡薄膜上施加极短电脉冲，同时用精确延时的飞秒激光闪光照射样品，从而逐帧‘拍摄’磁化状态随时间的演化过程。实验发现，翻转机制取决于电流大小：强电流主要靠热效应驱动翻转；而弱电流下，自旋可在几乎不发热的情况下直接翻转——这种‘无热翻转’路径意义重大，因为它意味着未来器件可实现高速、低功耗操控磁状态。该机制有望成为新一代自旋电子学器件（用于计算、通信和高端电子设备）的基础。目前实验观测到的最快电控翻转时间为140皮秒，受限于现有设备产生电流脉冲的最短时长；但研究者相信材料本征翻转速度还可更快，后续将通过更短脉冲和优化器件结构，进一步逼近其物理极限。