最新Nature：超快退磁引起的高效磁-彈能量轉換

一、?【導讀】 ?

磁性材料在存儲、感應等領域有重要應用，如何快速、低功耗地調控磁性是關鍵技術挑戰和問題。飛秒激光可以在飛秒到皮秒（1飛秒 =?10^-3皮秒 =?10^-15秒）時間尺度上進行自旋的翻轉與調控，因此基于飛秒激光的自旋電子學器件有望突破現有技術瓶頸，實現在太赫茲及更高頻段的數據存儲和信息傳遞。研究光激發的超快退磁和退磁過程中能量、角動量的傳遞問題至關重要，考慮到材料中晶格是能量和角動量的重要載體與去處，一個重要的方面即是研究自旋與晶格的耦合作用。

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二、【成果掠影】

近日，美國阿貢國家實驗室的Haidan Wen團隊、MIT的Nuh Gedik團隊與華盛頓大學的Xiaodong Xu團隊合作在Nature上報道了飛秒激光激發超快退磁引起異常劇烈的晶格剪切振動，揭示了在層狀反鐵磁FePS₃中巨大的磁彈耦合效應。三位PI為共同通訊作者，三位共同第一作者分別為Alfred Zong（來自Nuh Gedik團隊，現為加州大學伯克利分校Miller研究員）、Qi Zhang?（張琦，來自Xiaodong Xu團隊，現為南京大學教授）、Faran Zhou（周發然，來自Haidan Wen團隊，現為物理研究所副研究員）。相關研究成果以“Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet”為題發表在Nature上。

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文章摘要：磁性材料中自旋微觀結構引起宏觀尺度上的新奇效應是人們長期追求和探索的話題。一個重要的例子是鐵磁材料中的愛因斯坦-德哈斯效應，即自旋角動量的改變可以轉化為物體的宏觀機械轉動。然而，反鐵磁材料的總自旋磁矩是零，這當中磁有序如何與物體的宏觀運動耦合還不清楚。這里，我們在反鐵磁納米薄膜中觀測到了倒空間中布拉格峰的蹺蹺板運動，這種千兆赫茲的振動振幅在磁有序時比磁無序時有十倍以上的放大。利用一系列超快衍射和成像的先進實驗技術，我們直接可視化地展現這種自旋驅動的倒空間蹺蹺板運動。這種倒空間蹺蹺板運動對應實空間的層間剪切運動，薄膜中不同的疇沿著同一個軸做鎖相的相干振動。利用時間分辨的光學旋光法，我們證實這種增強的晶格振動來源于超快退磁，超快退磁釋放了彈性能量驅動晶格振動。我們的工作不僅首次展示了反鐵磁中自旋調控的機械振動，并且揭示了一個實現高至毫米波段的高頻振蕩期，基于此，在超快時間尺度上調控磁序的能力可以被轉化為納米裝置的機械性能調控。

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?三、【核心創新點】

作者觀測到了巨大的晶格層間剪切振動，這種振動的振幅與激光誘導的退磁量成正比，揭示了晶格振動源于超快退磁以及兩者的強耦合作用。

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?四、【數據概覽】

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圖1 ?激光誘導的晶格層間剪切運動

a，晶格和自旋結構示意圖；b，超快電子衍射和超快電子成像的實驗示意圖；c，超快電子衍射布拉格點的強度振動；d，超快電子衍射圖譜和樣品；e，倒空間蹺蹺板示意圖；f，超快電鏡拍攝的樣品圖像；g，超快電鏡圖像中其中一個彎曲輪廓的振動；h，g中淺藍色帶的積分強度演變；i，h中振動的傅里葉變換；j，振動周期與樣品厚度成正比。?2023 Springer Nature

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圖2 ?晶格剪切振動與磁相變溫度的關聯

a，不同溫度下超快電子衍射布拉格峰的強度振動；b，a的振動振幅溫度依賴；c，剪切運動的剪切角溫度依賴；d，振動的平穩期?(displacive excitation)； e-g，不同溫度下超快電鏡表征的振動振幅大小；h-j，不同樣品溫度下振動對激發光強度的依賴。?2023 Springer Nature

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圖3 ?超快退磁動力學的測量與晶格振動的關聯

a，平衡條件下，通過測量入射光偏振角度的改變來測量面內各向異性的反鐵磁序；b，光學泵浦-探測示意圖；c，不同溫度下激光激發的退磁量大小；d，不同溫度下激光激發的晶格振動剪切角變化。?2023 Springer Nature

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圖4??微觀上的磁彈耦合示意圖

a，激光激發的磁序消失，引起內部儲存的彈性能量釋放出來（XRD數據支持），驅動層間剪切振動；b，激光激發的晶格單斜角演變，對應沿著反鐵磁zigzag鏈方向的層間剪切運動；c，激光激發的單斜角變化隨溫度的演變，其趨勢與圖3的c和d類似；d，微觀層間剪切運動，這種剪切運動不受缺陷和磁疇等影響。?2023 Springer Nature

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圖5??晶格振動的超快電鏡直觀展示。

左圖，98 K（反鐵磁態）時樣品彎曲輪廓劇烈振動，對應著層間剪切振動；右圖，125 K（順磁態）時樣品彎曲輪廓的振動幾乎消失。?2023 Springer Nature

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五、【成果啟示】

作者綜合4種超快實驗技術（超快電子衍射，超快電鏡，超快光譜，時間分辨X射線衍射），對同一個樣品體系的不同自由度演變過程多角度實時探測表征，包括晶格倒空間和實空間、自旋的超快動力學等，綜合展示了反鐵磁體系中新穎的超快退磁引起的巨大宏觀樣品剪切振動，這種強磁彈耦合效應可以被利用做微納機械振動腔，應用于感應、能量轉換等。

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文獻鏈接：Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet, Nature 2023

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06279-y

本文由ZZZ供稿。