[论文解读] Nonlinear dynamics and magneto-elasticity of nanodrums near the phase transition

Makars Šiškins, Ata Keşkekler+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本研究探究了悬浮FePS₃基二维异质结构膜在奈尔温度（T_N）附近的非线性磁致弹性耦合，揭示了磁序弛豫导致的非线性阻尼与刚度变化。通过激光干涉测量与磁致伸缩模型，作者证明了磁致弹性相互作用在二级相变附近产生了一种此前未被探索的非线性耗散源，适用于纳米机械谐振器。

ABSTRACT

Nanomechanical resonances of two-dimensional (2D) materials are sensitive probes for condensed-matter physics, offering new insights into magnetic and electronic phase transitions. Despite extensive research, the influence of the spin dynamics near a second-order phase transition on the nonlinear dynamics of 2D membranes has remained largely unexplored. Here, we investigate nonlinear magneto-mechanical coupling to antiferromagnetic order in suspended FePS$_3$-based heterostructure membranes. By monitoring the motion of these membranes as a function of temperature, we observe characteristic features in both nonlinear stiffness and damping close to the Néel temperature $T_{ m{N}}$. We account for these experimental observations with an analytical magnetostriction model in which these nonlinearities emerge from a coupling between mechanical and magnetic oscillations, demonstrating that magneto-elasticity can lead to nonlinear damping. Our findings thus provide insights into the thermodynamics and magneto-mechanical energy dissipation mechanisms in nanomechanical resonators due to the material's phase change and magnetic order relaxation.

研究动机与目标

• 探究二级相变附近自旋动力学对二维纳米鼓非线性机械动力学的影响。
• 研究基于FePS₃的异质结构中反铁磁序在T_N附近对非线性刚度与阻尼的影响。
• 建立并验证一种基于磁致伸缩的解析模型，以解释由磁致机械耦合引发的非线性阻尼。
• 证明纳米机械谐振器可在无外部磁场条件下作为磁相变的内在探测器。
• 识别磁致弹性性为二维膜谐振器中非线性能量耗散的新型来源。

提出的方法

• 在Si/SiO₂基底上制备了悬浮的FePS₃基异质结构膜（厚度为9.5 ± 0.6 nm），其悬挂在1.5 µm圆形凹槽之上。
• 采用激光干涉仪结合矢量网络分析仪，测量机械谐振频率与振幅随温度的变化。
• 使用质量归一化的系数对非线性杜芬振子模型进行拟合，以提取实验共振峰中的非线性刚度与阻尼。
• 基于朗道理论构建磁致伸缩模型，引入机械位移与磁序参数L之间的耦合。
• 推导出动态磁序参数L_ω的运动方程，得出非线性阻尼系数ξ_nl与τ及系统参数成正比。
• 对耦合的机械-磁系统应用谐波平衡法，推导出包含非线性刚度与阻尼项的振幅-频率响应方程（公式14）。

实验结果

研究问题

• RQ1 FePS₃基纳米鼓的非线性刚度在奈尔温度T_N附近如何演化？
• RQ2 在反铁磁性二维膜中，观测到的T_N附近非线性阻尼增强的根源是什么？
• RQ3 磁致弹性耦合在多大程度上可解释这些纳米机械谐振器中温度依赖的非线性动力学？
• RQ4 是否可仅通过机械非线性实现对FePS₃中磁相变的探测，而无需外加磁场？
• RQ5 磁致伸缩在2D纳米鼓中生成非线性耗散机制方面起到何种作用？

主要发现

• 非线性刚度与阻尼在奈尔温度T_N附近表现出特征异常，非线性阻尼系数ξ_nl显著增加。
• 谐振频率ω₀表现出非单调的温度依赖性，其导数在T_N处出现峰值，表明与磁序存在强耦合。
• 实验数据可通过包含磁致伸缩的理论模型良好拟合，其中非线性阻尼源于磁序参数L的弛豫。
• 该模型预测，非线性阻尼源于机械振荡与通过磁致伸缩耦合的磁序参数时间依赖弛豫之间的相互作用。
• 有效非线性阻尼系数与τ = 1/(2κa(T*ₙ − T))成正比，表现出在T_N附近的发散型行为，与实验观测一致。
• 重正化的谐振频率ω₀² = (1/m)(k₁ + λL₀²(Ec₃)/(2r²))证实磁序可直接改变机械刚度。