超快退磁过程是凝聚态物理和自旋电子学领域的重要研究方向之一。对于传统铁磁体，当体系接近居里温度（TC）时，自旋弛豫时间变慢并趋于发散，这一现象被称为临界慢化行为（critical slowing down behavior），并成为制约超快磁性器件运行速度的关键热力学瓶颈。如何突破这一瓶颈，并揭示强自旋涨落体系中的超快自旋弛豫微观机制，是该领域亟待解决的重要科学问题。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室成昭华研究员课题组，与陈沅沙研究员，孙继荣研究员合作，并联合松山湖材料实验室，在CaRuO₃/SrTiO₃超晶格的超快自旋动力学研究中取得重要进展。研究团队利用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）与瞬态反射率技术，系统测量了退磁过程对温度、泵浦光强与外加磁场的依赖性。研究发现，与该体系接近磁相变时所预期的临界慢化截然相反，其退磁速率随温度、泵浦光通量及磁场的增大而明显加快，表现出高度灵敏的可调控特性。
临界慢化是临界现象在动力学上的直接体现。当磁体自旋涨落非常小时，通常采用平均场近似处理临界现象。当磁体温度趋于相变温度时，随着关联长度发散，系统自旋弛豫时间显著延长甚至发散。与传统铁磁体不同，CaRuO₃/SrTiO₃超晶格具有显著的自旋涨落和特殊的梯度磁性，因此无法用平均场理论处理其动态临界现象。为考察自旋涨落对超快退磁时间的影响，研究团队建立了自洽重整化理论与三温度模型相结合的唯象模型。计算表明，梯度磁性能够抑制临界点附近自旋比热的发散，削弱传统铁磁体中的热力学瓶颈；与此同时，温度升高或光激发会增强自旋涨落，而自旋涨落通过模—模耦合显著增强电子—自旋散射，从而提高能量和角动量转移效率。正是这两方面的共同作用，使自旋涨落驱动的散射增强得以主导超快退磁过程，并解释了自旋弛豫速率随温度、泵浦光强和磁场增加而增强的反常行为。该研究揭示了空间非均匀磁性体系中宏观热力学奇异性与微观散射过程可以有效解耦的新机制，为突破传统临界慢化限制、理解强自旋涨落体系中的超快退磁机制提供了新的物理思路。
相关成果以“Ultrafast Demagnetization Governed by Spin Fluctuations in CaRuO₃/SrTiO₃ Superlattice”为题，发表于《Physical Review Letters》，并被选为编辑推荐论文（Editors' Suggestion）。同时，美国物理学会旗下《Physics》杂志以“Featured in Physics”形式对该工作进行了推介，并刊发德国哥廷根大学 Daniel Steil 博士撰写的 Viewpoint 评述文章“Bypassing the Speed Limit for Thermally Driven Demagnetization（《绕过热驱动退磁的速度极限》）”进行专题介绍。该评述指出，与通常预期相反，铁磁体的磁化动力学可以通过升高温度、增强激光激发或增大磁场来加速，这种行为为高速自旋电子学的发展带来了新的希望。
中国科学院物理研究所博士生高语寒为论文的第一作者，成昭华研究员为通讯作者。时文潇博士后，陈沅沙研究员，孙继荣研究员提供了高质量的CaRuO₃/SrTiO₃超晶格样品；中国科学院物理研究所磁学实验室杨旭副研究员、何为副研究员、张向群副主任工程师，以及松山湖材料实验室超快科学中心冯红梅高级工程师共同参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目等项目支持。
相关工作链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1yn6-5qdw
图. CaRuO₃/SrTiO₃超晶格的超快退磁与对温度、泵浦光通量和磁场的依赖性