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揭示量子材料調(diào)控內(nèi)在機(jī)制 —超精全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)

來源:QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司   2020年12月03日 09:55  

研究進(jìn)展

       今年8月,美國加州大學(xué)圣迭戈分校(UC San Diego)R. D. Averitt課題組在量子材料調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展。該研究工作用超精全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)所搭建的測量系統(tǒng),通過低溫磁場環(huán)境下的超快泵浦測量詳細(xì)研究了GdTiO3鈣鈦礦材料在光激發(fā)下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時(shí)間尺度上的各種演化機(jī)制。這對于可應(yīng)用于量子信息域的鈣鈦礦類量子材料實(shí)現(xiàn)超快的量子調(diào)控十分重要。相關(guān)研究成果以“鐵磁緣體GdTiO3中相干聲子模的磁彈性耦合(Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3)”為題,刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

 

測量設(shè)備與光路示意圖(圖片來源于R. D. Averitt教授關(guān)于本工作的公開報(bào)告)

GdTiO3材料不同溫度下的反射率泵浦測量,(a)反射率隨時(shí)間的變化;(b)峰值反射率隨溫度變化;(c) 反射率在不同時(shí)間段的演變機(jī)制

 

       GdTiO3在鈣鈦礦材料相圖中處于鐵磁-反鐵磁的邊緣區(qū)域,在基態(tài)時(shí)Gd磁晶格與Ti磁晶格成反鐵磁耦合排列,材料表現(xiàn)出亞鐵磁性,同時(shí)材料還是莫-哈伯德緣體和軌道有序態(tài)。該研究工作在不同溫度和不同磁場環(huán)境下對GdTiO3材料進(jìn)行了時(shí)間分辨的反射率和磁光克爾測量。材料的反射率和克爾轉(zhuǎn)角在飛秒、皮秒時(shí)間尺度上表現(xiàn)出了多種演化機(jī)制。針對在皮秒量上的自旋-晶格相互作用機(jī)制,通過采用660 nm對應(yīng)于Ti 3d-3d 軌道Mott-Hubbard帶隙的光激發(fā),對所得MOKE信號(hào)的分析可以得出,光激發(fā)擾亂了Ti離子磁晶格的排布,減弱了與Gd磁晶格的反鐵磁耦合,使得材料的凈磁矩增加。進(jìn)而光激發(fā)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸影響Gd磁晶格的穩(wěn)定性使得材料的凈磁矩減少。另外,實(shí)驗(yàn)觀察到MOKE和反射率測量在皮秒尺度上都有相干振蕩,且隨著時(shí)間發(fā)生明顯的紅移。該振蕩對應(yīng)于光激發(fā)在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力波(相干聲子)。通過分析得出,該應(yīng)力波與材料的磁性也有密切的對應(yīng)關(guān)系,表明通過聲子與磁性的耦合來直接調(diào)控磁性也具有很大的可行性。

 

不同溫度、不同磁場下時(shí)間分辨MOKE測量觀察到的GdTiO3材料磁性的演變

 

(a)光激發(fā)后磁矩演化的原理示意圖;(b) 時(shí)間分辨MOKE測量觀察到的相干振蕩

 

       該研究通過在變溫變磁場條件下的時(shí)間分辨測量,清楚的觀測到了GdTiO3在微觀時(shí)間尺度上的磁性變化,通過分析詳細(xì)解釋了磁性演化的內(nèi)在機(jī)制。這對于鈣鈦礦類量子材料的應(yīng)用具有十分重大的意義。

       作為上早期就使用超精強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)--OptiCool的用戶,R. D. Averitt教授用OptiCool超高的溫度穩(wěn)定性、超低震動(dòng)、強(qiáng)磁場、多窗口等點(diǎn)設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的光學(xué)測量系統(tǒng),這對于該研究工作起到了決定性作用。我們期待超精強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)的用戶能夠取得更多科研成果。

 

設(shè)備信息

       OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái),2019年正式向美國以外市場銷售,目前中國已經(jīng)銷售5套。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體,可在超大空間為您提供高達(dá)7T的磁場。多達(dá)7個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口方便光線由各個(gè)方向引入樣品腔,高度集成式的設(shè)計(jì)讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時(shí)擺脫大型低溫系統(tǒng)的各種束縛。OptiCool是全干式系統(tǒng),啟動(dòng)和運(yùn)行只需少量氦氣。全自動(dòng)軟件控制可實(shí)現(xiàn)鍵變溫、鍵變場;避震、控溫技術(shù)讓控溫更智能;新型磁體更好的結(jié)合了超大均勻區(qū)與超大數(shù)值孔徑。OptiCool可以滿足低溫、磁場、電學(xué)、光學(xué)對材料的多維調(diào)控,這將是量子材料研究的選方案。

 

參考文獻(xiàn):

[1].D.J.Lovinger, E.Zoghlin, P.Kissin, G.Ahn, K.Ahadi, P.Kim, M.Poore, S.Stemmer, S.J.Moon, S.D.Wilson, R.D.Averitt, Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3, PHYSICAL REVIEW B 102,085138(2020).

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