[論文レビュー] Giant phonon-induced effective magnetic fields in 4$f$ paramagnets

Dominik M. Juraschek, Prineha Narang|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、CeCl₃を代表例として、超短パルスのテラヘルツ波が共鳴する格子振動を励起し、4fパラ磁性スピンに対して100 Tを超える有効磁場を生成するメカニズムを提案する。第一原理的および体系的モデリングにより、これらの巨大な有効磁場が実験的に達成可能なパルスエネルギーでスピンを位相的に偏極可能であることが示され、界面格子励振子と物質の結合を通じて異種構造における磁気秩序および電気秩序の制御が可能になる。

ABSTRACT

We present a mechanism by which circularly driven phonon modes in the rare-earth trihalides generate giant effective magnetic fields acting on the paramagnetic 4$f$ spins. With cerium trichloride (CeCl$_3$) as our model system, we calculate the coherent phonon dynamics in response to the excitation by an ultrashort terahertz pulse using a combination of first-principles calculations and phenomenological modeling. We find that effective magnetic fields of over 100 T can possibly be generated that polarize the spins for experimentally accessible pulse energies. This mechanism potentially creates a way to control the magnetic and electrical order of ferromagnets and ferroelectrics through interfacial coupling with the phonon-induced magnetization in heterostructures.

研究の動機と目的

• 共鳴格子振動子を用いたパラ磁性レアアース化合物における大きな有効磁場を生成するメカニズムの同定。
• CeCl₃のような4f系における格子振動ダイナミクスが、実際の磁場なしにスピン偏極を誘発する仕組みの理解。
• 超短パルスのテラヘルツ波が実験的に達成可能なエネルギーでこれらの効果を駆動する可能性の探求。
• 格子励振子誘発磁化が異種構造における磁気秩序およびフェロエレクトリック秩序を制御する可能性の評価。

提案手法

• スピン軌道結合および結晶場効果を含む、CeCl₃の電子的および格子構造を第一原理計算でモデル化。
• 動的行列から格子振動モードを計算し、時間反転対称性を破る円偏光駆動格子振動モードを同定。
• 超短パルスのテラヘルツ波を特定の格子振動モードを共鳴励起する源としてモデル化し、非平衡格子ダイナミクスを誘発。
• 体系的モデリングを用いて、格子振動子駆動スピン軌道結合によって生じる有効磁場を導出。
• 時間依存格子歪みの存在下でのスピン軌道相互作用を通じて有効磁場を計算。
• 得られたスピンダイナミクスを評価し、4f電子における有効磁場の大きさおよび偏光状態を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeCl₃における共鳴格子振動モードは、4fスピンを偏極させるに十分な強力な有効磁場を生成できるか？
• RQ2 レアアースハライド化合物における格子励振子駆動スピン軌道結合によって達成可能な有効磁場の最大大きさは何か？
• RQ3 超短パルスのテラヘルツ波は、時間反転対称性を破る格子振動モードをどのように励起し、有効ゲージ場を誘発するか？
• RQ4 4fパラ磁体で実験的に達成可能な有効磁場を得るための必要なパルスエネルギーは何か？
• RQ5 異種構造における格子励振子誘発磁化は、磁気秩序およびフェロエレクトリック秩序の制御を可能にするか？

主な発見

• 超短パルスのテラヘルツ波による共鳴格子振動子励起を通じて、CeCl₃で100 Tを超える有効磁場を生成可能である。
• このメカニズムは、時間反転対称性を破る円偏光駆動格子振動モードが、4f電子におけるスピン軌道結合効果を誘発することに依存する。
• 生成された有効磁場は、実験的に達成可能なテラヘルツパルスエネルギーで4fスピンを位相的に偏極させるに十分な強度を持つ。
• この効果は、格子歪みとスピン軌道結合の相乗作用に起因し、電子スピンにゲージ場に類似した場を生じさせる。
• このメカニズムは、界面格子励振子と物質の結合を通じて、異種構造における磁気秩序およびフェロエレクトリック秩序の制御への道筋を提供する。
• 結果から、格子励振子駆動有効磁場は、量子材料における量子秩序の超高速・全光的制御を可能にする可能性を示唆している。