超快泵浦测量揭示量子材料调控内在机制 ——超精准全开放强磁场低温光学研究平台初露锋芒

发布日期：2020-11-26

新研究进展

今年8月，美国加州大学圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt课题组在量子材料调控方面取得了重要进展。该研究工作利用超精准全开放强磁场低温光学研究平台所搭建的测量系统，通过低温磁场环境下的超快泵浦测量详细研究了GdTiO₃钙钛矿材料在光激发下自旋与晶格相互作用以及磁性变化在不同时间尺度上的各种演化机制。这对于可应用于量子信息领域的钙钛矿类量子材料实现超快的量子调控十分重要。相关研究成果以“铁磁绝缘体GdTiO₃中相干声子模的磁弹性耦合（Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO₃）”为题，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

测量设备与光路示意图（图片来源于R. D. Averitt教授关于本工作的公开报告）

GdTiO₃材料不同温度下的反射率泵浦测量，(a)反射率随时间的变化；(b)峰值反射率随温度变化；(c) 反射率在不同时间段的演变机制

GdTiO₃在钙钛矿材料相图中处于铁磁-反铁磁的边缘区域，在基态时Gd磁晶格与Ti磁晶格成反铁磁耦合排列，材料表现出亚铁磁性，同时材料还是莫特-哈伯德绝缘体和轨道有序态。该研究工作在不同温度和不同磁场环境下对GdTiO₃材料进行了时间分辨的反射率和磁光克尔测量。材料的反射率和克尔转角在飞秒、皮秒时间尺度上表现出了多种演化机制。针对在皮秒量级上的自旋-晶格相互作用机制，通过采用660 nm对应于Ti 3d-3d 轨道Mott-Hubbard带隙的光激发，对所得MOKE信号的分析可以得出，光激发首先扰乱了Ti离子磁晶格的排布，减弱了与Gd磁晶格的反铁磁耦合，使得材料的净磁矩增加。进而光激发所产生的热效应逐渐影响Gd磁晶格的稳定性使得材料的净磁矩减少。另外，实验观察到MOKE和反射率测量在皮秒尺度上都有相干振荡，且随着时间发生明显的红移。该振荡对应于光激发在材料中产生的应力波（相干声子）。通过分析得出，该应力波与材料的磁性也有密切的对应关系，表明通过声子与磁性的耦合来直接调控磁性也具有很大的可行性。

不同温度、不同磁场下时间分辨MOKE测量观察到的GdTiO₃材料磁性的演变

(a)光激发后磁矩演化的原理示意图；(b) 时间分辨MOKE测量观察到的相干振荡

该研究通过在变温变磁场条件下的时间分辨测量，清楚的观测到了GdTiO₃在微观时间尺度上的磁性变化，通过分析详细解释了磁性演化的内在机制。这对于钙钛矿类量子材料的应用具有十分重大的意义。

作为世界超精准强磁场低温光学研究平台--OptiCool用户，R. D. Averitt教授利用OptiCool超高的温度稳定性、超低震动、强磁场、多窗口等特点设计了功能强大的光学测量系统，这对于该研究工作起到了决定性作用。我们期待超精准强磁场低温光学研究平台的用户能够取得更多科研成果。

设备信息

OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台，2019年正式向美国以外市场销售，目前中国已经销售5套。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。OptiCool是全干式系统，启动和运行只需少量氦气。全自动软件控制可实现一键变温、一键变场；避震、控温技术让控温更智能；新型磁体结合了超大均匀区与超大数值孔径。OptiCool可以满足低温、磁场、电学、光学对材料的多维调控，这将是量子材料研究的优选方案。

参考文献：

[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).