[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究证明，光学激发可在铽金属中诱导非弹性5d-4f电子散射，驱动4f轨道态在7F6与7F5多重态之间发生瞬态跃迁。利用X射线自由电子激光器上的时间分辨XAS和RIXS，作者在100 fs内观测到4f电子结构出现0.26 eV的能量位移，直接建立了5d电子弛豫与4f轨道及磁各向异性变化之间的关联，对稀土金属中超快自旋动力学具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 研究5d-4f电子耦合在稀土金属非平衡动力学中的作用。
• 确定光学激发是否能在铽金属中诱导4f电子多重态之间的跃迁。
• 阐明5d电子弛豫如何驱动4f轨道态变化的机制。
• 在关联4f体系中建立5d电子动力学与4f电子态演化之间的直接关联。

提出的方法

• 在欧洲X射线自由电子激光器（EuXFEL）上，于Tb M5边（1236 eV）进行时间分辨X射线吸收谱（XAS）测量。
• 在FLASH自由电子激光器上，于Tb N4,5边（4d-4f跃迁）进行共振非弹性X射线散射（RIXS）实验。
• 采用800 nm光学激光脉冲作为泵浦光，通过延迟依赖的泵浦-探测测量，实现亚100 fs的时间分辨率，激发样品并探测其电子响应。
• 分析差分XAS与RIXS信号，以检测4f多重态结构变化及能级位移。
• 应用双温模型估算5d电子温度演化，并将其与观测到的4f激发关联。
• 对差分吸收谱进行模拟，包含4f7、4f8和4f9终态的贡献，以识别主导跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学激发是否能驱动稀土金属（如铽）中4f电子多重态之间的跃迁？
• RQ2 非弹性5d-4f电子散射在光学激发后4f轨道态变化中起何种作用？
• RQ3 5d电子弛豫后，4f电子态的演化速度如何？
• RQ4 4f轨道态的变化在多大程度上影响磁晶各向异性（MCA）和自旋动力学？
• RQ5 时间分辨XAS与RIXS能否探测到常规磁圆二色性无法观测到的瞬态4f电子激发？

主要发现

• 在光学激发后100 fs内，观测到4f多重态结构出现0.26 eV的能量位移，对应于7F6至7F5多重态的跃迁。
• 差分XAS信号显示，在激发后前0.143 ps内，4f8 7F5终态的贡献为11.3 ± 0.8%。
• RIXS信号揭示5D4衰变特征出现0.26 eV位移，证实了4f体系中7F6 → 7F5的跃迁。
• 4f7 8S7/2与4f9 6H15/2的贡献随时间增加，至0.43 ps时，4f7贡献达2.8 ± 0.2%，4f9贡献达4.8 ± 0.4%。
• 观测到的4f激发由非弹性5d-4f散射驱动，而非直接光学激发，原因在于强烈的偶极选择定则。
• 5d电子温度（Tel）在100 fs内达到约1.5 eV，与4f轨道态变化的起始时间一致。