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科研進展|大火狐體育官方網站中心/物質火狐體育APP柳學榕教授課題組首次觀測到單脈沖光誘導的三維磁有序向二維過渡的熱力學極限演化

時間:2021-11-11瀏覽:10設置

大(da)火狐體(ti)育(yu)官方網站中(zhong)心/物質火狐體(ti)育(yu)APP柳(liu)學(xue)榕(rong)教授課題組利用激光泵浦-同步輻射共振磁散射探測的測量技術,在三維反鐵磁有序的銥氧化物材料Sr2IrO4中觀測到激光單脈沖誘導的磁有序維度降低,并首次提出在非平衡自旋弛豫過程中,不同強度的自旋交換作用之間存在“時間窗口失配”機制。這一發現為強各向異性有序現象的超快非平衡演化動力學過程研究提供了新的思路和方向。近日,相關成果以“Single-Laser-Pulse-Driven Thermal Limit of the Quasi-Two-Dimensional Magnetic Ordering in Sr2IrO4 ”為題發表在國際頂級物理學期刊《Physical Review X》上。

研究背景

對磁性材料(liao)中(zhong)自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)光學操控在(zai)(zai)信息和存儲(chu)技術方面具有廣闊的(de)(de)(de)(de)應用(yong)前景(jing),例如(ru)之前的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)展示,飛秒(miao)級(ji)的(de)(de)(de)(de)超(chao)短脈沖光可以在(zai)(zai)數(shu)十個(ge)飛秒(miao)內使鐵磁體退磁化,甚至可以可控地轉變磁疇的(de)(de)(de)(de)方向。關于這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)超(chao)快非平衡過(guo)程的(de)(de)(de)(de)理解(jie)通常建立(li)(li)在(zai)(zai)維象的(de)(de)(de)(de)電荷、自旋(xuan)和晶格子系(xi)(xi)統溫度(du)(du)參數(shu)關聯演化的(de)(de)(de)(de)圖像上(shang),在(zai)(zai)激光脈沖激勵(li)后的(de)(de)(de)(de)幾(ji)十到(dao)幾(ji)百個(ge)皮(pi)秒(miao)的(de)(de)(de)(de)時間尺度(du)(du)內,經過(guo)不(bu)同自由度(du)(du)之間的(de)(de)(de)(de)經典(dian)熱耗散(san),自旋(xuan)有序會恢復(fu)到(dao)其原先的(de)(de)(de)(de)熱平衡態(tai)。盡管這(zhe)個(ge)經典(dian)的(de)(de)(de)(de)圖像適用(yong)于很多簡(jian)單的(de)(de)(de)(de)磁性體系(xi)(xi),對于具有復(fu)雜自旋(xuan)交換作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)體系(xi)(xi)卻(que)不(bu)一定成立(li)(li)。

主要工作

柳學榕教授課題組利用美國阿貢國家實驗室先進光源的時間分辨散射線站,研究了具有強烈晶格結構各向異性材料Sr2IrO4中三維反鐵磁有序在單激光脈沖激勵后的演化。他們發現,被激勵后,樣品層內磁有序經過弛豫會恢復到原先的長程有序,而層間的磁有序被“永久”破壞。隨著激光脈沖能密度的增加,被抑制的層間關聯長度逐漸變短并穩定到一個非零的極限值。理論計算表明這個極限值對應材料為抵抗自旋熱漲落而維持準二維磁長程有序所需的最小第三維度關聯長度。這樣的非平衡演化行為可以用決定磁有序的強層內交換作用和弱層間交換作用在時間軸上的競跑和“時間窗口失配”來解釋。強層間交換作用在亞皮秒的超快時間尺度內重新建立了層內自旋長程有序,形成宏觀層間磁疇,阻止了相對較慢的層間有序的恢復。

總(zong)結

這(zhe)一工作揭示了經典(dian)的(de)(de)熱耗散圖(tu)像在解釋復雜(za)磁有序(xu)(xu)體(ti)系的(de)(de)非(fei)平衡(heng)動力(li)學(xue)中的(de)(de)局限(xian)性(xing),并為其(qi)它強烈(lie)各(ge)向異性(xing)有序(xu)(xu)態的(de)(de)非(fei)熱力(li)學(xue)平衡(heng)超快演(yan)化過程的(de)(de)研(yan)究提(ti)供(gong)了新的(de)(de)思路(lu)。

       該(gai)(gai)(gai)論文(wen)中,博士研究生王瑞(rui)塘為(wei)第一作(zuo)者,柳學(xue)榕教授(shou)為(wei)通訊(xun)作(zuo)者。該(gai)(gai)(gai)研究主(zhu)要得(de)到了基金委、科(ke)技部(bu)、上科(ke)大啟(qi)動經費、中科(ke)院的(de)大力支持(chi)。該(gai)(gai)(gai)工作(zuo)的(de)實驗(yan)部(bu)分在美國Argonne國家實驗(yan)室先進光(guang)源(yuan)完成。


文章鏈接:
http://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.041023


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