很快，数据存储中心预计将消耗全球近10%的能源。这一增长主要是由于所用材料(铁磁体)的固有局限性。因此，这一问题引发了对更快、更节能材料的追求。

最令人鼓舞的途径之一是反铁磁体——这种材料不仅能提供更强大的功能和1,000倍的读写速度，而且比铁磁材料更丰富。理解和控制这些量子材料是推动未来技术发展的关键。一个国际研究小组现在报告了这一努力取得的重大进展。

自旋与材料晶格之间的相互作用在自旋电子应用中至关重要，因为它们使用自旋(电子的磁矩)将信息写入磁位。在铁磁材料中，这些自旋相互作用强烈，产生一种称为自旋波的涟漪效应，它可以穿过材料。

自旋波之所以令人兴奋，是因为它们可以在不移动电子的情况下携带信息，这与当今计算机中的电流不同，这意味着产生的热量更少。正如光可以被认为是称为光子的量子化粒子一样，自旋波也有自己的准粒子，称为磁振子。

另一方面，当材料晶格中的原子均匀振动时，这种运动由称为声子的准粒子来描述。

该团队的研究重点是磁子和声子共存的反铁磁材料二氟化钴(CoF2)。在这种材料中，相邻的自旋呈反向平行排列，从而使自旋动力学比传统铁磁材料快一千倍。

这一进展可能带来更快、更节能的数据位写入。科学家通过与太赫兹频率的光脉冲耦合来激发这些自旋动力学。

此外，所谓的费米共振，最早在近一个世纪前在二氧化碳中被描述，发生在原子和分子水平上，当两种由热能吸收引起的振动模式相互作用时，一种振动模式的频率是另一种振动模式的两倍。费米共振的原理迄今为止已扩展到磁子或声子系统。

然而，在这项研究中，科学家首次实现了自旋和晶格之间的强耦合，从而构成了反铁磁有序材料这些子系统之间的相互能量转移。这项研究发表在《自然通讯》上。

磁子和声子同步

在这个项目中，来自拉德堡德大学分子与材料研究所(IMM)、科隆大学德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)和约菲研究所的实验和理论凝聚态科学家揭示了在费米共振条件下反铁磁体中磁子和声子之间的一种新型能量传递通道。这可能使未来能够控制此类反铁磁系统，以实现更快、更节能的数据存储。

研究人员利用HZDRELBE高功率辐射源中心的强而明亮的加速器超辐射THz源，选择性地激发反铁磁自旋共振，并通过高达几的高外部磁场将其中心频率调整。这种配置使他们能够将自旋共振频率调整为晶格振动频率的一半，从而满足费米共振条件。

研究人员发现了一种新的耦合磁振子-声子动力学模式，允许这两个子系统在费米共振下进行能量交换。通过调整磁振子的频率，研究人员可以控制这一过程，尤其是增强磁振子-声子的耦合。

这种新状态表现为声子光谱的扩展和声子光谱权重的不对称重新分布。最终，他们的结果表明存在一种混合的二磁子-一声子状态。他们的工作可能在相干能量控制起着核心作用的磁子学和声子学领域具有重要意义。

未来数据存储的创新功能

研究结果提供了一种按需纵自旋晶格耦合的途径。首先，这使得作频率从铁磁材料提供的传统GHz频率大幅提高到反铁磁材料中的THz级。其次，这可能会大大提高磁写入效率，进而减少位写入作所需的最小能量，从而大大降低总能耗。

因此，该结果提出了一种控制反铁磁体动力学的创新方法，从而基于此类材料开发出概念上全新的数据存储技术。在未来的研究中，研究团队旨在探索是否可以将费米共振条件扩展到控制其他新型量子材料，从而有望推动材料科学和技术的发展。