在量子材料科學的前沿研究中，近期發表于《自然》的論文《Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS?》展示了一項令人振奮的發現。由Batyr Ilyas及其團隊領銜的這項研究，揭示了如何使用強度極高的太赫茲（THz）脈沖在鐵磷硫（FePS?）材料中誘導出一種長壽命的亞穩態磁化。

FePS?及太赫茲場實驗

FePS?是一種已知具有反鐵磁特性的層狀材料，其中晶格中的相鄰自旋方向相反。這一特性使FePS?成為磁性研究的有趣對象，特別是在自旋電子學和量子計算中的潛在應用。理解外場如何影響FePS?的磁性狀態有助于推動利用其獨特特性的新技術的發展。

在這項研究中，研究人員使用強度很高的THz脈沖來探測和操縱FePS?的磁性狀態。太赫茲輻射位于電磁波譜中的微波和紅外區域之間，特別適合研究和影響復雜材料的動態而不會顯著加熱它們。這一非熱效應對維持量子材料的狀態平衡至關重要。

亞穩態磁化的發現

該論文的主要發現是THz脈沖在FePS?中誘導出一種亞穩態磁化。亞穩態是一種在有限時間內穩定的狀態，然后最終過渡到更穩定的狀態。值得注意的是，FePS?中誘導的亞穩態磁化持續超過2.5毫秒，在磁性現象的背景下，這是一個相當長的時間。研究發現，隨著溫度接近反鐵磁轉變點（Néel溫度），這種亞穩態變得更加穩定。

研究人員推測，臨界點附近的參數波動在這種穩定性增強中起到了關鍵作用。在臨界點附近，臨界參數的波動變得顯著，這可以穩定THz場誘導的亞穩態磁化。這個發現突顯了量子材料中熱動態和磁動態的復雜相互作用。

理論見解和模擬

為了更深入理解這一現象背后的機制，研究人員結合使用第一性原理計算、經典蒙特卡羅模擬和自旋動力學建模。這些理論工具使他們能夠探索特定聲子模式（晶格振動的量子化形式）如何與FePS?的磁性狀態相互作用。

模擬表明，特定聲子模式的位移可以調節FePS?中的交換耦合。Néel溫度附近交換相互作用的這種調制可以在反鐵磁性的材料中產生有限的磁化。這些見解對于解釋觀察到的亞穩態磁化和預測其他材料中類似行為至關重要。

對未來研究和應用的意義

這項研究的發現對基礎研究和技術應用都具有重要意義。通過THz脈沖控制和操縱材料的磁性狀態，為開發超高速和節能磁性設備開辟了新的途徑。這種控制對自旋電子學領域尤其具有前景，因為自旋電子學使用電子的自旋而非電荷來存儲和處理信息。

此外，該研究還強調了探索量子材料中臨界現象的潛力。臨界點附近亞穩態穩定性的增強表明，可以采用類似策略在其他材料中發現隱藏的量子狀態。這一方法可能導致新物質狀態和新量子效應的發現，這些效應在其他情況下難以觀察到。

結論

論文《Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS?》代表了我們理解外場如何影響量子材料磁性特性的一次重要進展。通過THz脈沖在FePS?臨界溫度附近誘導的長壽命亞穩態磁化的發現，為理論探索和實際應用都提供了新的可能性。