近年来，磁性外尔半金属（magnetic Weyl semimetal）因其磁与拓扑性相互作用下的丰富物理现象受到了高度关注，尤其是外尔节点引起的增强的贝里曲率，在磁输运、磁热、磁光效应中都发挥了重要作用。II 型磁性Weyl 半金属Co3Sn2S2因其表面 Fermi arcs、巨大的反常霍尔效应以及负平带磁性等独特现象而成为研究热点。然而，关于Co3Sn2S2磁性外尔半金属中的超快自旋动力学性质，尤其是在飞秒及皮秒尺度下的自旋响应和驰豫的了解仍然有限。
南京大学自旋芯片与技术全国重点实验室徐永兵教授、陆显扬助理教授团队与广东工业大学吴竞教授课题组、中国科学技术大学曾长淦教授课题组、中科院物理所翁红明教授课题组合作，利用超快时间分辨的磁光克尔效应和反射光谱技术，结合理论计算分析，系统研究了II 型磁性Weyl 半金属Co3Sn2S2晶体的超快自旋动力学。
该工作观察到了一种复杂的自旋驰豫行为，其中包括由spin-flip主导的快速退磁、由于整体半金属（half metal）电子结构引起的缓慢退磁，以及在飞秒激光激发后出现的特别的磁化增强，这一过程持续数百皮秒。这一发现表明了 Co3Sn2S2中Weyl节点在飞秒激光诱导的自旋动力学中可能发挥了独特作用。
图1：II型磁性外尔半金属Co3Sn2S2中的超快自旋动力学过程和超快自旋增强。
通过温度依赖、泵浦光通量依赖和泵浦光旋性依赖等测量，明确了超快磁性增强过程来源于外尔节点。结合理论计算，建立了一个新的自旋动力学模型：当激发态的电子通过外尔节点驰豫时，因为II型外尔节点的非对称性导致电子被自旋极化，这引起了费米面处自旋极化态的增加而增强了磁性。因此该工作提出了II型外尔节点的动态自旋过滤（dynamic spin-filter）效应。
图2：II型磁性外尔半金属Co3Sn2S2中外尔节点引起的动态自旋过滤（dynamic spin-filter）效应。
该成果不仅为理解和调控磁性外尔半金属自旋动力学过程提供了新的视角，而且为开发基于磁性外尔半金属的新型磁学器件和技术提供了理论基础。这一发现将推动磁学领域的发展，并激发更多关于磁性外尔半金属超快自旋性质的研究。
该成果以“Ultrafast magnetization enhancementvia the dynamic spin-filter effect of type-II Weyl nodes in a kagome ferromagnet”为题于2024年3月18日在自然通讯《Nature Communications》上在线发表[ Nat. Commun. 15, 2410 (2024)]。广东工业大学吴竞教授、中科院物理所翁红明教授、中国科学技术大学曾长淦教授以及南京大学徐永兵教授为论文的共同通讯作者，南京大学集成电路学院陆显扬助理教授、中国科学技术大学林志勇研究员、中科院物理所皮涵奇博士为论文的共同第一作者。南京大学张荣院士对该工作给予了重要指导。南京大学（苏州校区）为论文第一完成单位。该工作得到南京大学自旋芯片与技术全国重点实验室、江苏省光电信息功能材料重点实验室、江苏固态照明与节能电子学协同中心、南京大学-约克大学联合中心、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国科学院项目、国家博士后基金计划等项目的资助。
文章链接：
Xianyang Lu#, Zhiyong Lin#, Hanqi Pi#, Tan Zhang, Guanqi Li, Yuting Gong, Yu Yan, Xuezhong Ruan, Yao Li, Hui Zhang, Lin Li, Liang He, Jing Wu*, Rong Zhang, Hongming Weng*, Changgan Zeng* & Yongbing Xu*
Ultrafast magnetization enhancement via the dynamic spin-filter effect of type-II Weyl nodes in a kagome ferromagnet，Nat. Commun. 15, 2410 (2024)
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46604-1
