與常規(guī)鐵磁材料相比，反鐵磁材料宏觀磁矩為零，難以通過磁性測量研究其靜態(tài)磁性。由于反鐵磁具有強的交換耦合和高共振頻率，可在GHz乃至THz方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著自旋電子器件工作頻率越來越高，反鐵磁材料的超快自旋動力學越來越成為當前自旋電子學研究的熱點。
脈沖激光誘導的超快自旋動力學可為研究反鐵磁材料提供一個強有力手段，超快脈沖激光泵浦探測（pump-probe）的方法由于具有飛秒時間分辨，可在磁性薄膜超快自旋動力學的研究中得到廣泛應(yīng)用。稀土正鐵氧體晶體（orthoferrite）RFeO3(R=Tb, Dy, Ho, Er, Dy, Yb或Y離子) 由于具有復雜的傾斜G型反鐵磁結(jié)構(gòu)和強的自旋-軌道-晶格之間的耦合，表現(xiàn)出獨特的磁光效應(yīng)。近年來，超快光磁激發(fā)和多鐵性等工作中取得的新進展又激發(fā)了人們重新研究稀土-鐵氧化物的超快磁光效應(yīng)。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室成昭華研究組最近研究了Fe/ErFeO3(100)與Fe/DyFeO3(100)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超快磁動力學過程。發(fā)現(xiàn)在RFeO3（100）單晶襯底上覆蓋Fe薄膜，能夠顯著增強光泵浦反鐵磁鐵氧體的效率。利用全光泵浦-探測技術(shù)，不僅觀察到了以往全光方法只能在自旋重取向溫區(qū)附近觀察到的準鐵磁(Q-FM)模式，還觀察到了尚未被報道的聲子(Phonon)模式。分析表明光泵浦RFeO3反鐵磁超快自旋動力學的增強歸因于光對異質(zhì)結(jié)界面交換耦合的改變。該工作為進一步研究超快脈沖激光條款反鐵磁材料自旋動力學提供了基礎(chǔ)。相關(guān)工作發(fā)表在近期的《先進材料》(Adv. Mater. 1706439（2018）)上。
此外，為解釋超快退磁時間和內(nèi)稟阻尼因子理論計算與實驗結(jié)果不符的問題，該課題組還采用時間分辨的磁光克爾效應(yīng)同時獲得超快退磁時間和阻尼因子的大小，通過調(diào)節(jié)Co/Ni雙層膜Ni層的厚度，從實驗上建立起超快退磁時間與內(nèi)稟阻尼因子的正比關(guān)系，完全不同于以往理論預測的反比關(guān)系。利用呼吸型費米面理論模型，解釋了正比關(guān)系的機理并確認了自旋混合參數(shù)的增強與Co/Ni界面的自旋-軌道耦合密切相關(guān)。相關(guān)工作發(fā)表在2017年底的Physical Review B Rapid Communication（Phys. Rev. B 96,220415(R)(2017)）上。
以上研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金和國家重大科研裝備研制項目的支持。
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圖1. Fe/ErFeO3(100)和Fe/DyFeO3(100)的超過磁光信號。
圖2. 不同溫度下的自旋動力學激發(fā)模式。
圖3. 鐵磁/反鐵磁層間耦合對超快自旋動力學影響的示意圖。
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