物理研究所激光错误的指导反铁磁比超快自旋重
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《科学》发表上海大学量子物质研究突破性成果

图2. 不同温度下的自旋动力学激发模式。

专家认为,这项研究为利用量子光学中的概念和工具,去理解、控制和预言凝聚态物质中的新物相提供了一条新的途径。

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相关论文信息: 10.1126/science.aat5162

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据悉,该成果是由上海大学量子与分子结构国际中心、材料基因组工程研究院、理学院物理系与美国Rice大学等国内外数家高校和科研院所共同合作完成,曹世勋教授和Kono教授为共同通讯作者。

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上海大学曹世勋教授团队与美国Rice大学Kono教授团队等同行在凝聚态磁性系统中发现了第一个迪克协同作用的实例,而此前迪克协同效应只在量子光学和冷原子等领域中存在。这一发现将有助于增进对磁现象的理解。8月24日,这项重大突破性成果发表于《科学》杂志。

此外,为解释超快退磁时间和內禀阻尼因子理论计算与实验结果不符的问题,该课题组还采用时间分辨的磁光克尔效应同时获得超快退磁时间和阻尼因子的大小,通过调节Co/Ni双层膜Ni层的厚度,从实验上建立起超快退磁时间与內禀阻尼因子的正比关系,完全不同于以往理论预测的反比关系。利用呼吸型费米面理论模型,解释了正比关系的机理并确认了自旋混合参数的增强与Co/Ni界面的自旋-轨道耦合密切相关。相关工作发表在2017年底的Physical Review B Rapid CommunicationPhys. Rev. B 96,220415上。

据介绍,该成果以曹世勋团队成功生长并表征不同浓度稀土Y3 掺杂铁酸铒高质量单晶系列样品和系统的物性测量实验研究为基础,通过实验与理论相结合的深入研究,发现了固体中稀土铒离子自旋系综与铁离子磁振子间的协同耦合效应表现为真空拉比劈裂特性。

脉冲激光诱导的超快自旋动力学可为研究反铁磁材料提供一个强有力手段,超快脉冲激光泵浦探测(pump-probe)的方法由于具有飞秒时间分辨,可在磁性薄膜超快自旋动力学的研究中得到广泛应用。稀土正铁氧体晶体(orthoferrite)RFeO3(R=Tb, Dy, Ho, Er, Dy, Yb或Y离子) 由于具有复杂的倾斜G型反铁磁结构和强的自旋-轨道-晶格之间的耦合,表现出独特的磁光效应。近年来,超快光磁激发和多铁性等工作中取得的新进展又激发了人们重新研究稀土-铁氧化物的超快磁光效应。

研究人员聚焦研究了强磁场、极低温及不同掺杂浓度下的太赫兹波吸收谱,证实在外磁场下Er3 电子顺磁共振可与有序的Fe3 自旋真空磁振子模式强烈耦合。这与标准的N原子腔量子电动力学实验可互相对应,Fe3 和Er3 耦合率与稀土离子Er3 的浓度依赖关系满足迪克标度模型。

图3. 铁磁/反铁磁层间耦合对超快自旋动力学影响的示意图。

曹世勋表示,由此可以得出Fe3 和Er3 的交换耦合常数,为人们更加深刻地理解3d-4f电子的磁耦合导致的新奇效应,如磁相变、磁电效应、电控磁振子、非线性自旋激发、重费米子等等提供了重要的实验和理论证据,为该领域近年来的重要发现之一。

与常规铁磁材料相比,反铁磁材料宏观磁矩为零,难以通过磁性测量研究其静态磁性。由于反铁磁具有强的交换耦合和高共振频率,可在GHz乃至THz方面得到广泛的应用。随着自旋电子器件工作频率越来越高,反铁磁材料的超快自旋动力学越来越成为当前自旋电子学研究的热点。

图1. Fe/ErFeO3和Fe/DyFeO3的超过磁光信号。

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中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室成昭华研究组最近研究了Fe/ErFeO3与Fe/DyFeO3异质结构中的超快磁动力学过程。发现在RFeO3单晶衬底上覆盖Fe薄膜,能够显著增强光泵浦反铁磁铁氧体的效率。利用全光泵浦-探测技术,不仅观察到了以往全光方法只能在自旋重取向温区附近观察到的准铁磁模式,还观察到了尚未被报道的声子模式。分析表明光泵浦RFeO3反铁磁超快自旋动力学的增强归因于光对异质结界面交换耦合的改变。该工作为进一步研究超快脉冲激光条款反铁磁材料自旋动力学提供了基础。相关工作发表在近期的《先进材料》(Adv. Mater. 1706439上。

以上研究工作得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金和国家重大科研装备研制项目的支持。

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