研究背景与意义
反铁磁材料（AFM）因其对外磁场干扰的高稳定性和太赫兹（THz）频率级的本征动力学，被视为构建下一代超高速自旋电子器件的核心候选者。hematite（α-Fe2O3）作为典型AFM模型材料，其显著的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）导致反铁磁序与弱铁磁性共存，提供独特平台研究自旋传输与调控。然而，THz自旋电流的生成与动态操控仍面临挑战：传统方法依赖强磁场或复杂结构，难以实现高效、可调谐的超快自旋注入。
如何在零磁场或弱磁场下激发并调控THz自旋电流，揭示其多机制起源，是推动AFM自旋电子学向实用化迈进的关键难题。
核心突破：ISRS与超快自旋Seebeck效应双机制 + 磁场调控
南京大学超导电子学研究所金飙兵教授团队，联合德国Max-Born研究所Tobias Kampfrath教授、清华大学宋成教授，首次利用飞秒激光脉冲驱动α-Fe2O3/Pt异质结中的THz自旋电流，揭示两种贡献机制：脉冲激发拉曼散射（ISRS）依赖AFM序的瞬时贡献，以及超快自旋Seebeck效应（SSE）依赖净磁化的缓变贡献（图1a）。
关键创新点：
1. 零磁场下ISRS主导：激光诱导瞬时磁化ΔM(t)，通过DMI产生的弱净磁化驱动自旋泵浦（图2）。
2. 有限磁场下SSE叠加：<1 T磁场诱导净磁化M，导致温度梯度驱动SSE，贡献与M奇函数相关（图3）。
3. 动态调控：弱磁场可精确操纵THz自旋电流的极性与时域演化，提供高速AFM自旋器件新方案。
实验验证与极致性能
1. 实验设置：传输式THz发射光谱系统，飞秒激光泵浦α-Fe2O3(20 nm)/Pt(3 nm)样品，磁场<1 T（图1a）。
2. 零磁场THz自旋电流：线性/圆偏振泵浦产生相反极性信号，证实ISRS起源；线性偏振效率更高（图2a,b）。
3. 偏振与方位依赖：线性泵浦下电流幅度随方位β呈cos(3β)变化，圆偏振呈sin(3β)，符合三重对称性（图2c,d）。
4. 磁场调控：Bext=0.4 T下，磁场奇分量（SSE）缓变（上升>100 fs），偶分量（ISRS）瞬时响应（图4）。
5. 极致操控：<0.15 T矫顽力的磁滞回线，实现低场动态切换（图3a）。
科学意义与应用前景
1. 机制突破：首次在hematite中揭示ISRS（相干、瞬时）与SSE（非相干、缓变）双机制共存，深化对AFM超快自旋响应的理解。
2. 调控创新：<1 T磁场即可灵活操纵THz自旋电流动态，提供AFM自旋源新范式。
3. 应用潜力巨大：
THz自旋电子学：助力高速、稳定AFM器件，如THz自旋电流源、开关/调制器。
基础研究：揭示DMI在超快自旋泵浦中的作用，推动AFM光磁学进展。
能源与传感：可扩展至其他AFM/HM异质结，实现高效光-自旋-电转换。
未来可结合时域分辨磁光克尔效应进一步量化自旋电压与温度梯度贡献。
图文导读
图1：α-Fe2O3/Pt中的THz自旋电流测量
(a) 传输式THz光谱设置示意图，激光泵浦诱导自旋电流从α-Fe2O3注入Pt。(b) 零磁场下α-Fe2O3/Pt（红）和/W（蓝）的THz信号极性相反。(c) Cu插入层减弱信号，证实自旋电流传输。
图2：泵浦偏振对零磁场THz自旋电流的影响
(a) β=180°时线性偏振（红/蓝）效率高于圆偏振。(b) β=270°时圆偏振（绿/黄）效率更高。(c) 线性泵浦下幅度随β呈cos(3β)变化。(d) 圆偏振下呈sin(3β)变化。
图3：磁场调控THz自旋电流
(a) 线性（红）和圆偏振（蓝）泵浦下幅度随Bext的磁滞回线。(b) 线性泵浦下磁场奇分量随β独立。(c) 圆偏振泵浦下类似。
图4：α-Fe2O3/Pt与Fe/Pt的自旋电流时域演化
(a) Bext=0.4 T下THz信号的磁场奇（红）和偶（蓝）分量，与Fe/Pt（绿）对比。(b) 检索自旋电流：奇分量（SSE）缓变，偶分量（ISRS）瞬时。
论文信息
成果以“Terahertz Spin Current Dynamics in Antiferromagnetic Hematite”为题，发表于材料与物理领域顶级期刊《Advanced Science》（影响因子15.1）
文献来源
Hongsong Qiu, Tom S. Seifert, Lin Huang, Yongjian Zhou, Zdeněk Kašpar, Caihong Zhang, Jingbo Wu, Kebin Fan, Qi Zhang, Di Wu, Tobias Kampfrath*, Cheng Song*, Biaobing Jin*, Jian Chen, Peiheng Wu. “Terahertz Spin Current Dynamics in Antiferromagnetic Hematite” Adv. Sci. 2023, 10, 2300512