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亚搏登陆:赵海斌课题组在非共线反铁磁磁光Voigt效应及其在反铁磁序动力学检测中的应用研究取得重要进展

发布时间:2021-09-07 

      近日,亚搏登陆光科学与工程系(光科系)赵海斌教授和倪刚副教授课题组与同济大学周仕明和丘学鹏教授团队合作在非共线反铁磁材料的磁光Voigt效应及其在反铁磁序动力学检测方面的应用研究取得重要进展。研究成果以“Large ultrafast-modulated Voigt effect in noncollinear antiferromagnet Mn3Sn”为题发表于国际知名期刊《Nature Communications》(https://doi.org/10.1038/s41467-021-25654-9)。光科系硕士赵宏昌为本文的第一作者,倪刚、丘学鹏、周仕明和赵海斌为本文的通讯作者。

    反铁磁材料的原子磁矩自发长程有序排列,但是总的净磁矩为零或很小。相比于铁磁材料,反铁磁材料的晶体结构、电子能态、自旋排列等更加多样,因此反铁磁材料的种类远比铁磁材料丰富。利用反铁磁材料制作而成的自旋阀与磁性隧穿结构在高密度磁存储器件中有着重要而广泛的应用。近些年反铁磁自旋电子学的发展已经使得反铁磁材料呈现出更加广泛和重要的应用前景。反铁磁材料对于外磁场的抗干扰能力很强,可在信息存储中形成多级稳定性。反铁磁材料的自旋进动频率通常在太赫兹量级,比常见的铁磁磁矩进动频率高两个数量级以上,并且由于反铁磁自旋矢量运动遵循时间的二阶导数变化,呈现惯性运动规律,可以用很短的激发过程使其获得足够的动量后克服后续运动过程中的势垒,穿越到另一个能量基态。因此改变反铁磁有序态的调控时间相较于铁磁体系也可以大为缩短。

                                            

                          Mn3Sn非共线反铁磁及基于Voigt效应探测其反铁磁奈尔序超快动力学

       虽然反铁磁在超高密度信息存储和新型自旋电子器件中有着重要应用前景,然而长期以来对于反铁磁自旋动力学的探测手段非常缺乏,这主要是由于反铁磁自旋运动过程处于皮秒时间尺度,通常的电学探测很难进行动力学分辨,而传统的基于飞秒激光脉冲的时间分辨磁光效应源于光对磁矩的线性响应,通常也不适用于探测净磁矩为零或很小的反铁磁体系的自旋动力学。不过近几年,有报道揭示基于磁线二色效应的时间分辨光谱可以用来研究一些反铁磁材料的自旋动力学,但其仅限于共线反铁磁体系,而大部分反铁磁材料的自旋排列是非共线的。

      针对此局限,亚搏登陆信息学院光科系赵海斌教授和倪刚副教授团队与同济大学物理科学与工程学院周仕明教授和丘学鹏教授团队通过合作研究,成功揭示了二阶磁光Voigt效应可用于研究非共线反铁磁的内禀反铁磁序超快动力学过程。合作团队制备了一种反三角形自旋结构的Mn3Sn薄膜,利用飞秒激光揭示了其在超短光脉冲调制下的磁光Voigt效应及其快速时间演变,对应呈现出反铁磁奈尔序的超快动力学过程。研究发现Mn3Sn薄膜中光调制的反铁磁序Voigt效应远大于簇磁八极子铁磁有序引起的线性磁光克尔效应,并且发现反铁磁序的超快光调控速度在室温以上直至奈尔转变温度区间基本保持恒定,这为实现大温区范围的高速自旋调控并应用于高速自旋电子器件提供了有利条件。

     该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

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