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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(qiáng)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(dòng)力學(xué)越來越成為當(dāng)前自旋電子學(xué)研究的熱點(diǎn)。
脈沖激光誘導(dǎo)的超快自旋動(dòng)力學(xué)可為研究反鐵磁材料提供一個(gè)強(qiáng)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(shí)間分辨，可在磁性薄膜超快自旋動(dòng)力學(xué)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(fù)雜的傾斜G型反鐵磁結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的自旋-軌道-晶格之間的耦合，表現(xiàn)出獨(dú)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(jìn)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(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)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(qiáng)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(zhǔn)鐵磁(Q-FM)模式，還觀察到了尚未被報(bào)道的聲子(Phonon)模式。分析表明光泵浦RFeO3反鐵磁超快自旋動(dòng)力學(xué)的增強(qiáng)歸因于光對異質(zhì)結(jié)界面交換耦合的改變。該工作為進(jìn)一步研究超快脈沖激光條款反鐵磁材料自旋動(dòng)力學(xué)提供了基礎(chǔ)。相關(guān)工作發(fā)表在近期的《先進(jìn)材料》(Adv. Mater. 1706439（2018）)上。
此外，為解釋超快退磁時(shí)間和內(nèi)稟阻尼因子理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的問題，該課題組還采用時(shí)間分辨的磁光克爾效應(yīng)同時(shí)獲得超快退磁時(shí)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(shí)驗(yàn)上建立起超快退磁時(shí)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(yù)測的反比關(guān)系。利用呼吸型費(fèi)米面理論模型，解釋了正比關(guān)系的機(jī)理并確認(rèn)了自旋混合參數(shù)的增強(qiáng)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(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和國家重大科研裝備研制項(xiàng)目的支持。
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(dòng)力學(xué)激發(fā)模式。
圖3. 鐵磁/反鐵磁層間耦合對超快自旋動(dòng)力學(xué)影響的示意圖。
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