纳米尺度上的超快光驱动磁化控制是下一代数据存储技术实现竞争力的关键。柏林 Max Born 研究所和意大利的里雅斯特大型设施 Elettra 的研究人员通过在极紫外光谱范围内的两个脉冲的干涉产生纳米级光栅，成功地创建了纳米级的超快全光开关。

飞秒时间尺度上的光驱动磁化动力学的物理学引起了研究人员极大的兴趣，主要有两个原因：首先，为了更深入地了解非平衡的基本机制，超快自旋动力学，其次，对于下一代的潜在应用信息技术，旨在满足对更快、更节能的数据存储设备的需求。

全光交换（AOS）是这项工作中最有趣和最有前途的机制之一，其中磁化状态可以通过单个飞秒激光脉冲在两个方向之间反转，用作“0s”和“1s”。虽然对 AOS 时间控制的理解进展迅速，但由于光辐射的波长限制，对于在技术应用中实现全光磁反转很重要的纳米级超快传输现象的知识仍然有限。克服这些限制的一种优雅方法是在瞬态光栅实验中将波长降低到极紫外 (XUV) 光谱范围。

现在，来自柏林 Max-Born-Institute 和 FEL 设施 FERMI 的研究人员已经在亚铁磁 GdFe 合金样品中激发了周期为 ΛTMG = 87 nm 的瞬态磁光栅 (TMG)。磁化光栅的空间演化是通过衍射一个时间延迟的第三个 XUV 脉冲来探测的，该脉冲在 8.3 nm (150 eV) 的波长处调谐到 Gd N 边缘。由于 AOS 对激励表现出强烈的非线性响应，因此人们期望演化磁栅的特征对称性变化与初始正弦激励模式不同。该信息直接编码在衍射图案中：在对激励的线性磁化响应且没有 AOS 的情况下，感应出正弦 TMG，并且抑制了第二衍射级。然而，如果 AOS 发生，光栅形状会发生变化，现在允许明显的二级衍射强度。换句话说，研究人员将二阶和一阶 (R21) 之间的强度比确定为衍射实验中 AOS 可观察到的指纹。

a) 一阶和 b) 二阶衍射强度作为泵浦和探测光束之间的时间延迟的函数。c) 第二和第一衍射级 (R21) 之间的强度比作为激发注量的函数，延迟为 50 ps。在 1.3 arb.u. 的通量下，瞬态磁化光栅开始改变其形状，导致出现第二衍射级，即 AOS 的指纹。d）高激发注量（红色圆圈）的比率 R21 表现出大且恒定的比率，我们认为这是稳定磁结构的出现，因此是纳米空间尺度上 AOS 的额外证据。图片来源：马克斯伯恩研究所

在上图中，a) 和 b) 分别显示了衍射一阶和二阶强度的时间演变。研究人员发现 τRE,first = (81 ± 7) ps 和 τRE,second = (90 ± 24) ps 的衰减时间相当，这与纳米级光栅的横向热扩散率一致。c)，显示了比率 R21 在 50 ps 的恒定泵探头延迟下作为激发注量的函数。对于低于 AOS 阈值的低能量密度，研究团队观察到 R21 的恒定且较小的值约为 1%。然而，增加激发，R21 稳定上升至约 8%，为纳米尺度上的 AOS 提供了第一个证据。对于两个选定的激发通量，作为时间函数的比率 R21 在 d) 中显示。对于较大的注量（红色圆圈），R21 在 150 ps 的测量时间间隔内表现出约 6% 的升高和恒定比率，表明稳定的磁结构，这被解释为光学反转域，即 AOS。最后，研究人员能够通过互补的全光学测量来证实他们的观察结果使用时间分辨法拉第显微镜的真实空间。

在未来的瞬态光栅实验中，具有明显更小的周期性（低至 <20 nm），超快横向传输过程有望在几皮秒内平衡激发梯度，因此将定义 AOS 的基本空间限制。

该研究发表在《纳米快报》上。