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飞秒激光所产生的皮秒声波脉冲与磁矩的相互作用可以用来研究超快磁弹耦合效应和设计高速的磁性装置。由于激光能量在短时间内的压缩，这种光致皮秒声波脉冲可以具有>1%的超高应变幅值和低至几纳米的短波长。由于磁弹耦合效应，这样的声波脉冲将激发波长短且频率高的磁振子（自旋波量子）。
Fig. 1 Ultrafast magnetoacoustics in FM thin films.
然而，现有的超快磁弹实验主要集中于观察铁磁体或亚铁磁体中平均磁化强度的小角度进动。在这些实验中，超快时间分辨的磁光克尔显微镜 (TR-MOKE) 被同时用于激发声波脉冲和探测磁化强度随时间的变化。但由于亚太赫兹自旋波的波长与探测激光脉冲的穿透深度相近, 亚太赫兹自旋波的信号在此穿透深度范围内被平均了，从而难以被探测到。
Fig. 2 Magnon excitation.
来自美国威斯康星大学材料科学与工程系的胡嘉冕教授及其博士生庄世豪提出可以利用重金属薄膜中的自旋电流转换，将自旋波信号转换为电磁波信号，从而间接地探测亚太赫兹自旋波。
Fig. 3 Magnon detection.
首先，该研究利用理论解析得到了在铁磁和反铁磁薄膜中自旋波驻波的频率。作者通过模拟计算，证明了单个皮秒声波脉冲可以在铁磁和反铁磁薄膜中激发出亚太赫兹的自旋波。被激发的磁矩会向相邻重金属薄膜泵入自旋流。由于逆自旋霍尔效应，重金属薄膜中的自旋流会被转化成交变的电荷电流并发射电磁波。
Fig. 4 Ultrafast magnetoacoustics in AFM thin films.
该研究发现所发射的电磁波保留了所有被激发的亚太赫兹自旋波的频谱信息并且其强度足够被检测到，这将为太赫兹自旋波的激发和探测，及其在高速磁振子器件中的应用提供理论依据。
Fig. 5 AFM Magnon excitation.
另外，该研究所用的计算模型首次考虑了声波、自旋波和电磁波之间的互相耦合，并且可被用于更复杂的铁磁或反铁磁薄膜基异质结构（例如超晶格）以及其他涉及声子-磁振子-光子的物理过程和设备中(例如谐振腔和天线)，以准确模拟超快磁振子-声子-光子耦合物理过程。
Fig. 6 AFM magnon detection.
该文近期发布于npj Computational Materials 8, no. 1 (2022). 
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41524-022-00899-0
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