[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种在稀土三卤化物（以CeCl₃为例）中产生强有效磁场的机制，其中超短太赫兹脉冲激发相干晶格振动，进而在4f顺磁自旋上产生超过100 T的有效磁场。通过第一性原理与现象学建模，研究证明这些巨大的有效磁场可在实验可实现的脉冲能量下相干极化自旋，从而实现通过声子驱动磁化来调控异质结构中的磁性和电性序。

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.

研究动机与目标

• 识别一种通过相干声子在顺磁性稀土化合物中产生大有效磁场的机制。
• 理解CeCl₃等4f体系中的声子动力学如何在无真实磁场的情况下诱导自旋极化。
• 探索使用超短太赫兹脉冲在实验可实现能量下驱动这些效应的可行性。
• 评估通过声子诱导磁化控制异质结构中磁性和铁电序的潜力。

提出的方法

• 采用第一性原理计算模拟CeCl₃的电子与晶格结构，包括自旋-轨道耦合与晶体场效应。
• 从动力学矩阵计算声子模式，识别出破坏时间反演对称性的圆偏振驱动振动模式。
• 将超短太赫兹脉冲建模为特定声子模式的相干激发源，诱导非平衡晶格动力学。
• 应用现象学建模推导由声子驱动自旋-轨道耦合产生的有效磁场。
• 通过时间依赖的晶格畸变下自旋-轨道相互作用计算有效磁场。
• 评估由此产生的自旋动力学，以确定对4f电子的有效磁场的大小与极化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeCl₃中的相干声子模式能否产生足够强的有效磁场以极化4f自旋？
• RQ2 通过稀土三卤化物中声子驱动自旋-轨道耦合可实现的最大有效磁场强度是多少？
• RQ3 超短太赫兹脉冲如何激发破坏时间反演对称性的声子模式并诱导有效规范场？
• RQ4 实现实验可实现的有效磁场所需的脉冲能量是多少？
• RQ5 异质结构中声子诱导的磁化能否实现对磁性和铁电序的控制？

主要发现

• 通过使用超短太赫兹脉冲相干激发声子，可在CeCl₃中产生超过100 T的有效磁场。
• 该机制依赖于破坏时间反演对称性的圆偏振驱动声子模式，从而在4f电子上诱导自旋-轨道耦合效应。
• 所产生的有效磁场足够强，可在实验可实现的太赫兹脉冲能量下相干极化4f自旋。
• 该效应源于晶格畸变与自旋-轨道耦合的相互作用，导致电子自旋上出现类似规范场的效应。
• 该机制为通过界面声子-物质耦合调控异质结构中的磁性和铁电序提供了新途径。
• 结果表明，声子驱动的有效磁场可能实现对量子材料中量子序的超快、全光调控。