通过皮秒电脉冲实现超快磁化反转（LT-GaAs）*
1. 概述
自旋电子学领域涉及固态器件中自旋和电荷输运的研究。超快磁性涉及使用飞秒激光脉冲在亚皮秒时间尺度上操纵磁秩序。本研究通过使用皮秒充电电流脉冲快速激发磁性金属中的传导电子来结合这些现象。观察到，用单个亚10 ps的电脉冲，GdFeCo薄膜的磁化强度发生了确定性的、可重复的超快反转。磁化在~10ps内反转，比任何其他电控磁开关快一个数量级以上，并证明了一种全新的电开关机制，不需要自旋极化电流或自旋转移/轨道转矩。切换所需的能量密度较低，投射到切换（20nm）3单元仅需的4fJ能量密度。这一发现为研究超快电荷电流驱动的自旋电子现象和器件开辟了一个新的领域。
2. 样品制备
低温砷化镓（LT GaAs）衬底由在GaAs衬底上通过分子束外延（MBE）在低温下生长的1μm厚的GaAs层组成（来自中芯晶研）。时域热反射率测量显示载流子寿命约为1.4ps。为了产生皮秒电脉冲，在低温生长GaAs衬底上制造了具有金共面带状线（CPS）几何结构的皮秒光电导开关，如图1所示。器件制造过程包括三个光刻、材料沉积和剥离步骤：
1）通过射频溅射沉积100nm厚的MgO层，并通过标准剥离工艺图案化。除了几个窗口（100μm乘60μm），衬底完全被MgO覆盖，其中放置光电导开关以将CPS与基板电隔离；
2）磁性层 [Ta (5 nm)/Gd30Fe63Co7(20nm)/Pt(5nm)]使用与MgO层相同的方法进行溅射和图案化。这在 MgO 窗口内定义了一个尺寸为 5 μm x 20 μm 的GdFeCo岛；
3）通过电子束蒸发沉积由20nm厚的Ti和250nm厚的Au组成的CPS，并通过标准剥离工艺图案化。CPS设计在GdFeCo岛的每一侧都包含一个锥形区域，该锥形区域缩小了线的宽度，以增加GdFeCo部分的电流密度。CPS两侧的狭窄部分与GdFeCo岛的边缘重叠，允许电脉冲流过。
图1 CPS装置示意图和电脉冲特性：( A )电气开关实验示意图; ( B ) 根据使用位于 GdFeCo 部分之前 1 mm 的 Protemics Spike 探针测量的时间电流分布，计算通过 GdFeCo 部分的时间电流密度分布
3. 结论
1）通过研究Ta（5nm）/Gd30Fe63Co7（20nm）/Pt（5 nm）多层膜的磁响应，发现该薄膜在室温下呈现出矫顽力为80 Oe的垂直磁各向异性。该样品的补偿温度，即铁磁体中净力矩最小化的温度，为~270K。在通过单个激光脉冲序列照射时，GdFeCo膜的磁化在每个脉冲之后切换。我们检查了不同激光脉冲持续时间下的全光开关（AOS）能力，发现GdFeCo薄膜在60 fs（FWHM）和10 ps之间的激光脉冲持续期间切换；
2）研究了 GdFeCo 薄膜对电脉冲的响应，发现GdFeCo 部分的磁化强度在每个电脉冲后切换；
3）进行了时间分辨磁光克尔效应（MOKE）测量，以在时间上分辨电脉冲到达后的开关动力学。对于 GdFeCo 部分（相对于表面积）吸收能量密度小于 0.8 mJ/cm2 的电脉冲，MOKE 信号（主要指示 FeCo 亚晶格磁化强度）显示 20 ps 内的退磁，然后在较长的时间尺度上恢复到初始磁化状态。随着电流脉冲幅度的增加，FeCo退磁越大。对于吸收能量密度大于1.3 mJ/cm2的电脉冲，FeCo 亚晶格的磁矩在电脉冲到达 GdFeCo 薄膜后约 10 ps 内反转。反转后，FeCo 磁化强度迅速朝相反方向恢复。只需 30 ps 即可达到 70% 的饱和度。我们将磁化强度的非单调演化（例如，磁化强度在约 40 ps 时降低）归因于几个低振幅电脉冲的到来，这些电脉冲是由 CPS 结构中各种电不连续性的初始脉冲反射而产生的。
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