[논문 리뷰] Terahertz electric-field driven dynamical multiferroicity in SrTiO$_3$

Martina Basini, Matteo Pancaldi외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 04.

Acoustic Wave Resonator Technologies참고 문헌 42인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 원형 편광된 테라헤르츠 필드로 연약한 격자모드를 자극하여 스트리안티타나이트(SrTiO3)에서 실온에서의 동적 다중철성 다이내믹스를 입증한다. 이는 공명적인 격자 운동을 통해 일시적인 자화를 유도한다. 이 효과는 큰 자기광학적 케러 신호를 통해 실험적으로 검증되었으며, 음향모드에서 전자로의 각운동량 이행을 포함하는 비선형 진동자 모델에 의해 정량적으로 설명된다. 이는 역Einstein-de Haas 효과와 유사하다.

ABSTRACT

The emergence of collective order in matter is among the most fundamental and intriguing phenomena in physics. In recent years, the ultrafast dynamical control and creation of novel ordered states of matter not accessible in thermodynamic equilibrium is receiving much attention. Among those, the theoretical concept of dynamical multiferroicity has been introduced to describe the emergence of magnetization by means of a time-dependent electric polarization in non-ferromagnetic materials. In simple terms, a large amplitude coherent rotating motion of the ions in a crystal induces a magnetic moment along the axis of rotation. However, the experimental verification of this effect is still lacking. Here, we provide evidence of room temperature magnetization in the archetypal paraelectric perovskite SrTiO$_3$ due to this mechanism. To achieve it, we resonantly drive the infrared-active soft phonon mode with intense circularly polarized terahertz electric field, and detect a large magneto-optical Kerr effect. A simple model, which includes two coupled nonlinear oscillators whose forces and couplings are derived with ab-initio calculations using self-consistent phonon theory at a finite temperature, reproduces qualitatively our experimental observations on the temporal and frequency domains. A quantitatively correct magnitude of the effect is obtained when one also considers the phonon analogue of the reciprocal of the Einsten - de Haas effect, also called the Barnett effect, where the total angular momentum from the phonon order is transferred to the electronic one. Our findings show a new path for designing ultrafast magnetic switches by means of coherent control of lattice vibrations with light.

연구 동기 및 목표

• 초고속 테라헤르츠 필드를 사용하여 비자성 산화물에서 동적 다중철성을 실험적으로 입증하기.
• 공명적인 이온 운동이 각운동량 이행을 통해 일시적인 자화를 유도할 수 있다는 이론적 예측을 검증하기.
• SrTiO3와 같은 페로브스카이트 상에서 격자 역학과 잠재적 자기성의 상관관계를 설정하기.
• ab-initio 격자모드 이론과 비선형 결합을 활용하여 관측된 자기광학 반응을 정량적으로 모델링하기.

제안 방법

• 강한 원형 편광 테라헤르츠 펄스를 사용하여 SrTiO3에서 적외선 활성 연약한 격자모드를 공진적으로 자극하기.
• 시간 분 giải 자기광학적 케러 효과 측정을 통해 일시적인 자화를 검출하기.
• 유한 온도에서 자기일관된 격자이론에 기반한 힘과 결합을 포함하는 이중 결합 비선형 진동자 모델 개발하기.
• 격자에서 전자로의 각운동량 이행을 설명하기 위해 Einstein-de Haas 효과의 격자 모의체인 Barnet-유사 효과를 모델에 통합하기.
• ab-initio 계산을 활용하여 모델 내 효과적 질량, 비선형 결합 및 결합 상수를 결정하기.
• 모델 예측을 실험 데이터의 시간 및 주파수 응답과 비교하여 메커니즘의 타당성 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SrTiO3에서 격자 모드의 공명적 테라헤르츠 자극이 실온에서 측정 가능한 일시적 자화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 관측된 자화가 이온 운동을 통한 동적 다중철성 이론 프레임워크와 일치하는가?
• RQ3 음향모드에서 전자로의 각운동량 이행이 자기 반응 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 ab-initio 계산에 기반한 비선형 결합 진동자 모델이 실험 자기광학 신호를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 Einstein-de Haas 효과의 음향모드 모의체가 관측된 자화의 크기를 정량적으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 원형 편광 테라헤르츠 자극 하에서 SrTiO3에서 큰 일시적 자기광학적 케러 효과가 관측되어 자화의 발생을 시사한다.
• 자화가 몇 펙토세컨드 동안 지속되며, 페로브스카이트 격자 내 TiO6 삼각형의 공명적 회전에 의해 유도된다.
• ab-initio 격자모드 이론에 기반한 이중 비선형 진동자 모델이 실험 결과를 정성적으로 재현한다.
• 음향모드에서 전자로의 각운동량 이행(Barnet-유사 효과)이 모델에 포함된 경우에만 실험 데이터와 정량적 일치를 달성한다.
• 관측된 효과는 실온에서도 안정적으로 유지되어 비자성 산화물에서 초고속, 전면 광학적 자기 스위칭의 가능성을 입증한다.
• 이러한 발견은 SrTiO3가 격자 제어 기반의 전면 광학적, 테라헤르츠 자극 자기 스위치 설계를 위한 플랫폼으로서의 가능성을 확립한다.