[論文レビュー] Optical control of 4f orbital state in rare-earth metals

Nele Thielemann-Kühn, Tim Amrhein+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Rare-earth and actinide compounds参考文献 16被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、光学励起がイットルビウム金属における非弾性5d-4f電子散乱を誘発し、一時的な4f軌道状態遷移を引き起こすことを示している。X線自由電子レーザーを用いた時間分解XASおよびRIXSにより、100 fs以内に4f電子構造に0.26 eVのエネルギーシフトが観測された。これは5d電子の熱化が4f軌道および磁気的異方性の変化に直接関連していることを示しており、希土類金属における超高速スピンダイナミクスに影響を与える。

ABSTRACT

A change of orbital state alters the coupling between ions and their surroundings drastically. Orbital excitations are hence key to understand and control interaction of ions. Rare-earth elements with strong magneto-crystalline anisotropy (MCA) are important ingredients for magnetic devices. Thus, control of their localized 4f magnetic moments and anisotropy is one major challenge in ultrafast spin physics. With time-resolved x-ray absorption and resonant inelastic scattering experiments, we show for Tb metal that 4f-electronic excitations out of the ground-state multiplet occur after optical pumping. These excitations are driven by inelastic 5d-4f-electron scattering, altering the 4f-orbital state and consequently the MCA with important implications for magnetization dynamics in 4f-metals and more general for the excitation of localized electronic states in correlated materials.

研究の動機と目的

• 希土類金属の非平衡ダイナミクスにおける5d-4f電子結合の役割を調査すること。
• 光学励起がテルビウム金属における4f電子多重項間の遷移を誘発できるかどうかを特定すること。
• 5d電子の熱化が4f軌道状態および磁気的異方性に与える影響のメカニズムを解明すること。
• 相関する4f系における5d電子ダイナミクスと4f電子状態の進化の直接的関連を確立すること。

提案手法

• ヨーロッパX線自由電子レーザー（EuXFEL）を用いて、TbのM5端（1236 eV）における時間分解X線吸収分光法（XAS）を実施した。
• FLASH自由電子レーザーを用いて、TbのN4,5端（4d-4f遷移）における共鳴非弾性X線散乱（RIXS）を実施した。
• 800 nmの光学レーザーパルスを用いたポンプ・プローブ遅延依存測定により、100 fs未満の時間分解能で試料を励起し、電子的応答をプローブした。
• 差分XASおよびRIXS信号の解析により、4f多重項構造およびエネルギー準位シフトの変化を検出した。
• 2温度モデルを用いて5d電子温度の進化を推定し、観測された4f励起と関連付けた。
• 4f7、4f8、4f9最終状態の寄与を含む差分吸収スペクトルのシミュレーションを実施し、支配的遷移を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学励起は、テルビウムのような希土類金属における4f電子多重項間の遷移を駆動できるか？
• RQ2 非弾性5d-4f電子散乱が、光学励起後の4f軌道状態変化を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 5d電子の熱化に続く4f電子状態の進化は、どの程度の速さで進行するか？
• RQ4 4f軌道状態の変化が、磁気的歪み異方性（MCA）およびスピンダイナミクスにどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 時間分解XASおよびRIXSは、従来の磁気的ディクロイズムでは検出できない一時的な4f電子励起を検出可能か？

主な発見

• 光学励起後100 fs以内に、4f多重項構造に0.26 eVのエネルギーシフトが観測され、これは7F6から7F5多重項への遷移に対応する。
• 差分XAS信号から、励起後0.143 ps以内に4f8 7F5最終状態が11.3 ± 0.8%の寄与を示した。
• RIXS信号から、5D4崩壊特徴に0.26 eVのシフトが確認され、4f系における7F6 → 7F5遷移が裏付けられた。
• 4f7 8S7/2および4f9 6H15/2の寄与は時間経過とともに増加し、0.43 ps時点で4f7は2.8 ± 0.2%、4f9は4.8 ± 0.4%に達した。
• 観測された4f励起は、強い電気双極子選択則のため、直接的光学励起ではなく、非弾 性5d-4f散乱によって駆動されている。
• 5d電子温度（Tel）は100 fs以内に約1.5 eVに達し、4f軌道状態変化の発生と相関した。