近日，复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室/微纳电子器件与量子计算机研究院沈健教授、郭杭闻研究员与陶镇生教授团队联合相关研究人员，在反铁磁薄膜弱磁性与超快太赫兹光谱研究方向取得新进展。研究团队利用时间域太赫兹发射光谱，实现了对正交铁氧体 TmFeO₃ 超薄膜中微弱倾斜磁矩的高灵敏探测，并连续追踪了该磁矩在自旋重取向相变过程中的方向演化。相关成果以“Resolving weak moments in canted antiferromagnets via time-domain terahertz emission spectroscopy”为题，发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）[Proc. Natl. Acad. Sci., 123(30), e2603194123 (2026)]。沈健教授、郭杭闻教授和陶镇生教授为论文共同通讯作者；博士生沙旭阳、官彤阳为论文共同第一作者。

在理想反铁磁体中，相邻原子磁矩方向相反、大小接近相等，宏观净磁矩几乎完全抵消。这种结构使反铁磁材料具有响应速度快、杂散磁场小和稳定性高等特点，但也使其磁状态难以直接探测。

在 TmFeO₃ 等倾斜反铁磁材料中，Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用会使原本反平行排列的磁矩发生轻微倾斜，从而产生一个很小的净磁矩。这个倾斜磁矩虽然能够反映材料内部的磁结构和磁各向异性，但在超薄膜中对应的总磁信号极弱，容易被衬底背景和测试噪声淹没。

传统的超导量子干涉仪和磁光克尔效应通常依赖样品的总磁矩或光学旋转信号，其灵敏度会随薄膜厚度减小而迅速下降。电输运方法虽然可以判断部分磁各向异性，却往往难以区分面内磁矩的 180° 翻转。因此，如何在纳米尺度薄膜中直接探测微弱倾斜磁矩，仍是反铁磁自旋电子学研究中的重要问题。

研究团队采用 TmFeO₃/Pt 异质结作为研究对象。飞秒激光脉冲照射样品后，在 TmFeO₃/Pt 界面附近产生沿薄膜法向传播的超快自旋极化电流。该自旋流进入 Pt 层后，通过逆自旋霍尔效应转化为横向瞬态电荷流，并进一步辐射太赫兹脉冲。由于瞬态电荷流的方向与自旋流和面内磁矩方向有关，太赫兹信号的极性、幅值和偏振中便包含了磁矩方向的信息。由此可以通过测量太赫兹波形，间接“读取”超薄膜中的微弱磁矩。对 50 nm、37 nm、10 nm 和 5 nm 厚的 TmFeO₃/Pt 样品开展磁场扫描测量，发现即使当 TmFeO₃ 厚度降低至 5 nm 时，实验中仍能分辨出稳定的磁滞响应。这表明，时间域太赫兹发射光谱对超薄磁性层具有较高的探测灵敏度。

除探测磁矩翻转外，研究团队还利用该方法连续追踪了 TmFeO₃ 中的自旋重取向相变。随着温度降低，TmFeO₃ 中的反铁磁矢量和微弱倾斜磁矩会在晶体的 平面内连续旋转。研究团队分别沿两个正交的面内方向施加磁场，并测量不同温度下的太赫兹磁滞回线。通过拟合不同温度下的磁滞回线，提取了磁滞幅值和矫顽场，并确定样品的自旋重取向温区间。

研究中还观察到，TmFeO₃/Pt 异质结的太赫兹磁滞回线极性与常规铁磁体/Pt 体系相反。研究团队提出，这一反常极性可能与 TmFeO₃/Pt 界面的特殊磁结构有关。决定超快自旋极化电流方向的界面有效磁极化，可能与体内测得的微弱倾斜磁矩方向相反，从而使自旋流、瞬态电荷流以及最终的太赫兹信号均呈现反向极性。

这项研究将时间域太赫兹发射光谱拓展为一种高灵敏、非接触的弱磁矩探测手段，实现了对超薄倾斜反铁磁薄膜中磁矩翻转和连续旋转的直接追踪。该方法有望进一步应用于复杂反铁磁体系、界面磁性、超快自旋流和自旋—电荷转换研究，为纳米尺度反铁磁自旋电子器件的表征和调控提供新的实验平台。