[论文解读] Light-driven ultrafast phonomagnetism

D. Afanasiev, J. R. Hortensius+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 49被引用 16

一句话总结

本研究展示了在正铁氧体镝（DyFeO₃）中实现光驱动的超快声子磁性，其中共振中红外脉冲激发相干声子模式，导致在皮秒量级内发生非平衡自旋重取向。晶格畸变抑制了磁能垒，通过超快调控各向异性交换相互作用，实现长寿命的弱铁磁序，实现能量耗散极小的自旋编码。

ABSTRACT

Exciting atomic oscillations with light is a powerful technique to control the electronic properties of materials, leading to remarkable phenomena such as light-induced superconductivity and ultrafast insulator to metal transitions. Here we show that light-driven lattice vibrations can be utilised to encode efficiently spin information in a magnetic medium. Intense mid-infrared electric field pulses, tuned to resonance with a vibrational normal mode of antiferromagnetic DyFeO3, drive the emergence of long-living weak ferromagnetic order. Light-driven phonon displacements promptly lower the energy barrier separating competing magnetic states, allowing the alignment of spins to occur within a few picoseconds, via non-equilibrium dynamics of the magnetic energy landscape.

研究动机与目标

• 通过共振声子激发，证明在多铁材料中实现超快、非热态磁序控制。
• 在不发生热化的情况下，实现光致磁对称性破缺与长寿命弱铁磁序。
• 建立通过晶格驱动修改磁势能 landscape 的低能耗、相干路径，实现超快自旋开关。
• 区分超快磁相变中声子泵浦与热驱动机制的差异。

提出的方法

• 使用能量为 85 meV 的共振中红外电场脉冲，相干激发 DyFeO₃ 中的 B₁u 晶格振动模式。
• 通过时间分辨磁光法拉第旋转测量自旋重取向和诱导磁化的超快动力学。
• 在莫宁转变温度（Tₘ = 51 K）附近，通过改变泵浦脉冲能量和温度的泵浦-探测实验，研究相变动力学。
• 对瞬态信号进行傅里叶变换分析，提取软声子模式的频率与衰减动力学，以及自旋进动特性。
• 与带隙以上的可见光激发（2.3–3.1 eV）进行对比，分离非热声子驱动动力学与热诱导过程。
• 施加磁场可解除弱铁磁态的简并，通过法拉第旋转检测光致磁化。

实验结果

研究问题

• RQ1 相干晶格振动（声子）是否能在多铁材料中诱导超快、非热态磁相变？
• RQ2 声子驱动的晶格畸变在调控磁各向异性能量景观中起什么作用？
• RQ3 与热驱动机制相比，声子泵浦在自旋重取向的时间尺度和效率方面有何差异？
• RQ4 光致磁对称性破缺是否可在反铁磁基体中诱导长寿命铁磁序？
• RQ5 通过晶格控制实现磁能垒超快抑制的机制是什么？

主要发现

• 85 meV 的共振中红外脉冲激发相干 B₁u 声子模式，在小于 1 ps 内触发自旋重取向。
• 诱导的弱铁磁序持续时间超过 1 ns，表明存在长寿命的非平衡磁性。
• 通过晶格驱动调制各向异性交换相互作用，降低磁势垒，实现超快自旋对齐。
• 相变时间尺度短于一个自旋进动周期，表明为非热、相干动力学。
• 与热驱动相变（≥100 ps）相比，声子泵浦在 30 ps 内完成磁开关，磁化起始速度快 10 倍。
• 可观测磁化的阈值泵浦能量为 15.8 mJ/cm²，该效应具有温度和磁场依赖性，外加磁场可移动相变区域。