进展 | 激光诱导反铁磁超快自旋动力学研究取得进展

与常规铁磁材料相比，反铁磁材料宏观磁矩为零，难以通过磁性测量研究其静态磁性。由于反铁磁具有强的交换耦合和高共振频率，可在GHz乃至THz方面得到广泛的应用。随着自旋电子器件工作频率越来越高，反铁磁材料的超快自旋动力学越来越成为当前自旋电子学研究的热点。

脉冲激光诱导的超快自旋动力学可为研究反铁磁材料提供一个强有力手段，超快脉冲激光泵浦探测（pump-probe）的方法由于具有飞秒时间分辨，可在磁性薄膜超快自旋动力学的研究中得到广泛应用。稀土正铁氧体晶体（orthoferrite）RFeO₃(R=Tb, Dy, Ho, Er, Dy, Yb或Y离子) 由于具有复杂的倾斜G型反铁磁结构和强的自旋-轨道-晶格之间的耦合，表现出独特的磁光效应。近年来，超快光磁激发和多铁性等工作中取得的新进展又激发了人们重新研究稀土-铁氧化物的超快磁光效应。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家中心磁学国家重点实验室成昭华研究组最近研究了Fe/ErFeO₃(100)与Fe/DyFeO₃(100)异质结构中的超快磁动力学过程。发现在RFeO₃（100）单晶衬底上覆盖Fe薄膜，能够显著增强光泵浦反铁磁铁氧体的效率。利用全光泵浦-探测技术，不仅仅观察到了以往全光方法只能在自旋重取向温区附近观察到的准铁磁(Q-FM)模式，还观察到了尚未被报道的声子(Phonon)模式。分析表明光泵浦RFeO₃反铁磁超快自旋动力学的增强归因于光对异质结界面交换耦合的改变。该工作为进一步研究超快脉冲激光条款反铁磁材料自旋动力学提供了基础。 相关工作发表在近期的Advance Materials 上，(Adv. Mater. 1706439（2018）)。

此外，为解释超快退磁时间和內禀阻尼因子理论计算与实验结果不符的问题，该课题组还采用时间分辨的磁光克尔效应同时获得超快退磁时间和阻尼因子的大小，通过调节Co/Ni双层膜Ni层的厚度，从实验上建立起超快退磁时间与內禀阻尼因子的正比关系，完全不同于以往理论预测的反比关系。利用呼吸型费米面理论模型，解释了正比关系的机理并确认了自旋混合参数的增强与Co/Ni界面的自旋-轨道耦合密切相关。相关工作发表在2017年底的Physical Review B Rapid Communication 上，（Phys. Rev. B 96,220415(R)(2017)）。

以上研究工作得到了科技部“973”项目，国家自然科学基金和国家重大科研装备研制项目的支持。

相关链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201706439

图1 Fe/ErFeO₃(100)和Fe/DyFeO₃(100)的超过磁光信号

图2 不同温度下的自旋动力学激发模式

图3 铁磁/反铁磁层间耦合对超快自旋动力学影响的示意图

编辑：太阳骑士07

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