北京
電子自旋作為固體材料中的基本自由度之一，是發(fā)展新一代自旋電子學器件的重要信息載體。相比于傳統(tǒng)電荷電子學，自旋電子學具有功耗低、速度快、集成度高等優(yōu)勢。超快激光脈沖有望實現(xiàn)自旋序在皮秒甚至亞皮秒尺度內(nèi)的高效操控，推動超高速信息處理和新型量子器件的發(fā)展。然而，人們對在超短激光驅(qū)動的強非平衡條件下自旋、電子與晶格自由度之間復雜的耦合動力學仍缺乏了解。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室博士生武娜（現(xiàn)為德國馬普所博士后）、王恩等人在王亞嫻副研究員、孟勝研究員的指導下，利用自主發(fā)展的實時含時密度泛函理論和Ehrenfest分子動力學相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了二維巡游鐵磁體 Fe?GeTe?中光誘導的超快自旋動力學過程，在理論上成功實現(xiàn)了飛秒尺度的光誘導自旋翻轉(zhuǎn)，并揭示了相干聲子在其中的關(guān)鍵作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，在近紅外激光激發(fā)條件下，體系磁矩可在約300飛秒時間尺度內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)；同時隨著激光強度變化，體系可進入退磁、自旋翻轉(zhuǎn)以及自旋熔化三種不同的磁動力學調(diào)控區(qū)域，建立了全光學調(diào)控磁相變的相圖。
圖1.光激發(fā)下單層二維磁體Fe?GeTe?中晶格與磁性動力學的耦合演化。
進一步研究表明，該超快自旋翻轉(zhuǎn)過程來源于非平衡電子激發(fā)與特定對稱性的 A1g相干聲子模式之間的協(xié)同作用。其中，相干 A1g聲子通過降低自旋翻轉(zhuǎn)能壘促進磁矩反轉(zhuǎn)，而非平衡電子占據(jù)則打破自旋上下態(tài)之間的簡并性，使體系能夠跨越能壘實現(xiàn)超快自旋翻轉(zhuǎn)。同時，自旋翻轉(zhuǎn)過程中體系的 Berry 曲率分布及 Chern 數(shù)符號發(fā)生反轉(zhuǎn)，表明其瞬態(tài)能帶的拓撲性質(zhì)發(fā)生變化，揭示了非平衡電子結(jié)構(gòu)與超快磁動力學之間的密切關(guān)聯(lián)。不同于圓偏光操控電子自旋的方案，該研究提出了一種基于單模相干線性聲子協(xié)同驅(qū)動的飛秒尺度自旋反轉(zhuǎn)的新機制，為發(fā)展超快自旋電子學器件提供了重要的理論依據(jù)。
相關(guān)成果以“Photoinduced femtosecond spin-flip assisted by a single-mode linear phonon”為題發(fā)表在Science Advances。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委項目、中國科學院、北京市科技新星計劃的資助。
編輯：冰糕
特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
