最新Nature：超快退磁引起的高效磁-弹能量转换

一、 【导读】  

磁性材料在存储、感应等领域有重要应用，如何快速、低功耗地调控磁性是关键技术挑战和问题。飞秒激光可以在飞秒到皮秒（1飞秒 = 10^-3皮秒 = 10^-15秒）时间尺度上进行自旋的翻转与调控，因此基于飞秒激光的自旋电子学器件有望突破现有技术瓶颈，实现在太赫兹及更高频段的数据存储和信息传递。研究光激发的超快退磁和退磁过程中能量、角动量的传递问题至关重要，考虑到材料中晶格是能量和角动量的重要载体与去处，一个重要的方面即是研究自旋与晶格的耦合作用。

二、【成果掠影】

近日，美国阿贡国家实验室的Haidan Wen团队、MIT的Nuh Gedik团队与华盛顿大学的Xiaodong Xu团队合作在Nature上报道了飞秒激光激发超快退磁引起异常剧烈的晶格剪切振动，揭示了在层状反铁磁FePS₃中巨大的磁弹耦合效应。三位PI为共同通讯作者，三位共同第一作者分别为Alfred Zong（来自Nuh Gedik团队，现为加州大学伯克利分校Miller研究员）、Qi Zhang （张琦，来自Xiaodong Xu团队，现为南京大学教授）、Faran Zhou（周发然，来自Haidan Wen团队，现为物理研究所副研究员）。相关研究成果以“Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet”为题发表在Nature上。

文章摘要：磁性材料中自旋微观结构引起宏观尺度上的新奇效应是人们长期追求和探索的话题。一个重要的例子是铁磁材料中的爱因斯坦-德哈斯效应，即自旋角动量的改变可以转化为物体的宏观机械转动。然而，反铁磁材料的总自旋磁矩是零，这当中磁有序如何与物体的宏观运动耦合还不清楚。这里，我们在反铁磁纳米薄膜中观测到了倒空间中布拉格峰的跷跷板运动，这种千兆赫兹的振动振幅在磁有序时比磁无序时有十倍以上的放大。利用一系列超快衍射和成像的先进实验技术，我们直接可视化地展现这种自旋驱动的倒空间跷跷板运动。这种倒空间跷跷板运动对应实空间的层间剪切运动，薄膜中不同的畴沿着同一个轴做锁相的相干振动。利用时间分辨的光学旋光法，我们证实这种增强的晶格振动来源于超快退磁，超快退磁释放了弹性能量驱动晶格振动。我们的工作不仅首次展示了反铁磁中自旋调控的机械振动，并且揭示了一个实现高至毫米波段的高频振荡期，基于此，在超快时间尺度上调控磁序的能力可以被转化为纳米装置的机械性能调控。

 三、【核心创新点】

作者观测到了巨大的晶格层间剪切振动，这种振动的振幅与激光诱导的退磁量成正比，揭示了晶格振动源于超快退磁以及两者的强耦合作用。

 四、【数据概览】

图1  激光诱导的晶格层间剪切运动

a，晶格和自旋结构示意图；b，超快电子衍射和超快电子成像的实验示意图；c，超快电子衍射布拉格点的强度振动；d，超快电子衍射图谱和样品；e，倒空间跷跷板示意图；f，超快电镜拍摄的样品图像；g，超快电镜图像中其中一个弯曲轮廓的振动；h，g中浅蓝色带的积分强度演变；i，h中振动的傅里叶变换；j，振动周期与样品厚度成正比。©2023 Springer Nature

图2  晶格剪切振动与磁相变温度的关联

a，不同温度下超快电子衍射布拉格峰的强度振动；b，a的振动振幅温度依赖；c，剪切运动的剪切角温度依赖；d，振动的平稳期 (displacive excitation)； e-g，不同温度下超快电镜表征的振动振幅大小；h-j，不同样品温度下振动对激发光强度的依赖。©2023 Springer Nature

图3  超快退磁动力学的测量与晶格振动的关联

a，平衡条件下，通过测量入射光偏振角度的改变来测量面内各向异性的反铁磁序；b，光学泵浦-探测示意图；c，不同温度下激光激发的退磁量大小；d，不同温度下激光激发的晶格振动剪切角变化。©2023 Springer Nature

图4  微观上的磁弹耦合示意图

a，激光激发的磁序消失，引起内部储存的弹性能量释放出来（XRD数据支持），驱动层间剪切振动；b，激光激发的晶格单斜角演变，对应沿着反铁磁zigzag链方向的层间剪切运动；c，激光激发的单斜角变化随温度的演变，其趋势与图3的c和d类似；d，微观层间剪切运动，这种剪切运动不受缺陷和磁畴等影响。©2023 Springer Nature

图5  晶格振动的超快电镜直观展示。

左图，98 K（反铁磁态）时样品弯曲轮廓剧烈振动，对应着层间剪切振动；右图，125 K（顺磁态）时样品弯曲轮廓的振动几乎消失。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

作者综合4种超快实验技术（超快电子衍射，超快电镜，超快光谱，时间分辨X射线衍射），对同一个样品体系的不同自由度演变过程多角度实时探测表征，包括晶格倒空间和实空间、自旋的超快动力学等，综合展示了反铁磁体系中新颖的超快退磁引起的巨大宏观样品剪切振动，这种强磁弹耦合效应可以被利用做微纳机械振动腔，应用于感应、能量转换等。

文献链接：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。