磁性材料在磁存储、信号处理、超快检测和传感器应用等领域中发挥着重要的作用。在这些应用中，高速、灵敏地操纵材料的磁矩方向具有至关重要的意义。在多种物理场（如磁场、力场、电场、温度场等）与磁性的相互作用中，光学调控具有响应速度快、可调节、非接触等优势。虽然实验上已经成功证明光场可以有效地调控磁矩行为，如何从微观机制上理解光子和材料磁矩之间的相互作用，以及不同磁性来源之间的对应关系，依然是固体磁性半导体材料中尚未解决的问题。
针对这一问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心（CAID）周健教授课题组通过非线性光学理论，推导了光子吸收下非平衡自旋态的能带理论，阐明了动量空间中布洛赫电子态几何结构张量的作用，并指出了这一过程中的电子拓扑态的意义。另外，他们还揭示了轨道磁矩和自旋磁矩具有同等重要的作用，这与平衡态电子行为完全不同。进一步地，他们以铁磁单层NiCl2材料为例，展示了光场对自旋和轨道磁矩的扭矩作用及磁动力学行为。通过磁空间群分析和第一性原理计算，表明无论线偏振光还是圆偏振光照射均可以在体系中产生面外有效磁场B和有效扭矩T，但其布洛赫态几何结构来源不同。磁动力学模拟表明，在中等强度光照下即可有效调控磁矩方向，并且这一过程可以在亚纳秒-皮秒量级内完成，展现出超快量子操控的潜力。以上理论也可以应用在多种具有类似磁对称性的材料体系中，具有一定的普适性。
以上研究结果以“Nonlinear Optics-Driven Spin Reorientation in Ferromagnetic Materials”（铁磁材料中非线性光学诱导自旋扭转）为题发表于知名期刊《ACS纳米》上，周健教授为论文的通讯作者，第一作者为课题组博士研究生薛倩倩，本研究工作受国家自然科学基金资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06453
