[论文解读] Ultrafast switching of antiferromagnetic order by field-derivative torque

Pratyay Mukherjee, Ritwik Mondal|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2026

Magnetic properties of thin films被引用 0

一句话总结

论文表明由时间导数的 THz 场产生的场导数力矩（FDT）能够实现 NiO Néel 向量的确定性超快翻转，并通过是否考虑 FDT 的原子自旋动力学分析，显著降低所需 THz 场强度约一半。

ABSTRACT

Control of magnetic order in antiferromagnets is a central challenge in the development of next-generation spintronic devices. Here, we propose and analyze magnetization switching driven by the field-derivative torque, a torque that originates from the time-derivative of an applied THz pulse acting on the staggered order parameter. Using atomistic spin simulations, we show that the field-derivative torque couples efficiently to the Néel vector, enabling deterministic switching without net spin accumulation. Further, we show that using the circularly polarised THz pulse, the FDT-induced magnetization switching reduces the required THz magnetic field by two-fold. To this end, we compute the switching and non-switching areas as a function of THz pulse width, THz magnetic field, and damping of the antiferromagnetic material. We find that the switching and non-switching areas are completely deterministic in antiferromagnets. Moreover, the switching area increases by about 55% when the FDT is considered.

研究动机与目标

• 为下一代自旋电子学的超快反铁磁翻转提供动力与需求动机。
• 研究场导数力（FDT）与 THz 驱动 NiO 动态的相互作用。
• 量化 THz 脉冲参数和阻尼对翻转图的影响。
• 评估 FDT 是否能够在没有净自旋积累的情况下实现确定性翻转。

提出的方法

• 对 NiO 在圆偏振 THz 脉冲下的原子自旋动力学模拟。
• 在自旋方程（LLG）中加入场导数力项与阻尼。
• 包含海森堡交换、双轴各向异性及 THz 场的 Zeeman 耦合的模型哈密顿量。
• 使用频率 f0=1.3 THz 的 THz 脉冲，改变 B0、脉宽 σ 和阻尼 α。
• 比较有无 FDT 时的动力学，以提取翻转行为。

Figure 1 : Schematic diagram for circularly polarized THz excitation of antiferromagnetic spins in $\rm NiO$ . The upward Ni spins are denoted in golden color, while the downward Ni spins are denoted in purple. Red small spheres denote the oxygen atoms.

实验结果

研究问题

• RQ1 场导数力（FDT）是否能够在 THz 激发下实现 NiO 的确定性 Néel 向量翻转？
• RQ2 FDT 如何改变 (B0, σ) 相图中的翻转阈值和区域？
• RQ3 Gilbert 阻尼 α 在 FDT 辅助的 AFM 翻转中的作用是什么？
• RQ4 圆偏振与线偏振 THz 场相比，圆偏振如何影响 FDT 辅助翻转？

主要发现

• 在考虑 FDT 时显著降低实现磁化反转所需的 THz 场强（例如 σ=4 ps 时有 FDT 为 8.15 T，而无 FDT 为 14.25 T）。
• 在 AFM 中翻转通过由进动耦合介导的 90 度自旋重新取向实现，与铁磁的角动量传递翻转不同。
• 在 (B0, σ) 空间中，翻转与非翻转区域形成确定性、周期性模式图，包含 FDT 时翻转区域扩大约 55%。
• 来自 FDT 的翻转效率随更大阻尼 α 增强，翻转对 α 和 B0 的依赖性明显。
• 非共振 THz 驱动也显示在包含 FDT 时翻转区域扩大，表明在不同频率下具有鲁棒性。

Figure 2 : Simulation results of the magnetization dynamics without FDT (Left Panel) and with FDT (Right Panel) for an incident THz pulse having ${\rm B_{0}}=8.15$ T, $\sigma=4$ ps and $\tau=130$ ps. (a) and (e) show the $y$ - and $z$ -components of the circularly-polarized THz pulse, (b) and (f) sh