[论文解读] Ultrasensitive strain modulation of terahertz magnons at a magnetic phase transition

Lichen Wang, Sajna Hameed+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2026

Magnetic properties of thin films被引用 0

一句话总结

论文展示了Ca2RuO4在单轴应变下控制反铁磁基态和THz自旋激发的能力，揭示了一种应变引发的从A向B磁性转变，磁子能量跃迁约为0.3 THz（超过10%）。作者通过应变调控的自旋轨道混杂和层间交换符号反转来解释，并提出转边磁激发器件的潜在应用。

ABSTRACT

Antiferromagnets typically host spin-wave (magnon) excitations in the terahertz (THz) regime, offering a promising platform for high-speed magnonic information technologies. Harnessing these excitations requires sensitive control of their spectral properties. Here we use resonant x-ray diffraction and Raman scattering to demonstrate uniaxial-strain control of the antiferromagnetic (AFM) ground state and THz magnon excitations in the layered Mott insulator Ca$_2$RuO$_4$. Although the states separated by the strain-induced phase transition differ only by the sign of the weak and partially frustrated interlayer interaction, their magnon energies differ by more than 10% (~ 0.3 THz). Our theoretical analysis explains this surprising observation by tracing the origin of both the sign reversal of the interlayer coupling and the magnon energy to the spin-orbital composition of the Ru valence electrons. The extreme strain sensitivity of the THz magnon energy near a magnetic phase transition opens up pathways towards a new generation of transition-edge magnonic devices.

研究动机与目标

• 探究单轴应变如何控制Ca2RuO4中的反铁磁基态。
• 量化应变在跨磁性相变时对THz自旋激发能量的变化。
• 建立理论框架，将应变、自旋轨道耦合与层间交换联系起来以解释自旋激发谱。
• 展示可逆性并识别应变可控的磁激发设备潜力。

提出的方法

• 在Ru L3边缘进行共振X射线衍射（RXD），以区分应变下的A中心与B中心的AFM堆叠。
• 进行拉曼散射，在沿[100]与[1-10]的单轴应变下跟踪区心自旋激发与声子模态。
• 从晶格正交性定义有效应变变量epsilon，以建模自旋激发能量的依赖性。
• 应用一个最小伪自旋-1哈密顿量，含交换各向异性、单离子各向异性以及正交场（式(2)）。
• 推导自旋激发能隙（式(3)），显示对面内各向异性kappa的强敏感性，而kappa本身依赖于晶场Delta与Delta_ort。
• 从现有文献拟合参数以再现观测到的应变响应，包括固有自旋激发隙omega0与正交性epsilon0。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轴应变沿不同晶体学方向如何影响Ca2RuO4中的AFM基态？
• RQ2 应变引发的磁性相变中自旋激发能量的量级与性质为何？
• RQ3 通过何种机制将应变耦合到自旋轨道纠缠的Ru伪自旋，从而引发层间交换Jc的符号改变？
• RQ4 能否用自旋-轨道-晶格耦合模型定量描述晶场对自旋激发谱的影响？

主要发现

• 在epsilon约为0.15%附近发生由A中心堆叠到B中心堆叠的应变引发的磁相变。
• 在[1 1 0]方向压缩下，拉曼显示自旋激发能量的突变，主模在转变处约上升0.3 THz（相对于转变前的能量增幅>10%）。
• RXD证实了A→B转变，并显示在约0.22%应变时，残留的A中心相与B中心相共存。
• 在应变下，自旋激发能量可用伪自旋-1模型描述，隙ω≈sqrt[κ[4J(2−τ)+0.5τωE+κ]]，突出对正交场与晶场Δ、Δ_ort的强敏感性。
• 层间耦合Jc的符号反转可通过应变增强自旋轨道纠缠波函数中的xy轨道特征来解释，从而把层间交换从反铁磁改为铁磁。