揭示量子材料調(diào)控內(nèi)在機(jī)制 —超精全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)

研究進(jìn)展

       今年8月，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt課題組在量子材料調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展。該研究工作利用超精全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)所搭建的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)低溫磁場(chǎng)環(huán)境下的超快泵浦測(cè)量詳細(xì)研究了GdTiO₃鈣鈦礦材料在光激發(fā)下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時(shí)間尺度上的各種演化機(jī)制。這對(duì)于可應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域的鈣鈦礦類(lèi)量子材料實(shí)現(xiàn)超快的量子調(diào)控十分重要。相關(guān)研究成果以“鐵磁絕緣體GdTiO₃中相干聲子模的磁彈性耦合（Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3）”為題，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

測(cè)量設(shè)備與光路示意圖（圖片來(lái)源于R. D. Averitt教授關(guān)于本工作的公開(kāi)報(bào)告）

GdTiO₃材料不同溫度下的反射率泵浦測(cè)量，(a)反射率隨時(shí)間的變化；(b)峰值反射率隨溫度變化；(c) 反射率在不同時(shí)間段的演變機(jī)制

       GdTiO₃在鈣鈦礦材料相圖中處于鐵磁-反鐵磁的邊緣區(qū)域，在基態(tài)時(shí)Gd磁晶格與Ti磁晶格成反鐵磁耦合排列，材料表現(xiàn)出亞鐵磁性，同時(shí)材料還是莫特-哈伯德絕緣體和軌道有序態(tài)。該研究工作在不同溫度和不同磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)GdTiO₃材料進(jìn)行了時(shí)間分辨的反射率和磁光克爾測(cè)量。材料的反射率和克爾轉(zhuǎn)角在飛秒、皮秒時(shí)間尺度上表現(xiàn)出了多種演化機(jī)制。針對(duì)在皮秒量級(jí)上的自旋-晶格相互作用機(jī)制，通過(guò)采用660 nm對(duì)應(yīng)于Ti 3d-3d 軌道Mott-Hubbard帶隙的光激發(fā)，對(duì)所得MOKE信號(hào)的分析可以得出，光激發(fā)首先擾亂了Ti離子磁晶格的排布，減弱了與Gd磁晶格的反鐵磁耦合，使得材料的凈磁矩增加。進(jìn)而光激發(fā)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸影響Gd磁晶格的穩(wěn)定性使得材料的凈磁矩減少。另外，實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到MOKE和反射率測(cè)量在皮秒尺度上都有相干振蕩，且隨著時(shí)間發(fā)生明顯的紅移。該振蕩對(duì)應(yīng)于光激發(fā)在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力波（相干聲子）。通過(guò)分析得出，該應(yīng)力波與材料的磁性也有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明通過(guò)聲子與磁性的耦合來(lái)直接調(diào)控磁性也具有很大的可行性。

不同溫度、不同磁場(chǎng)下時(shí)間分辨MOKE測(cè)量觀(guān)察到的GdTiO₃材料磁性的演變

(a)光激發(fā)后磁矩演化的原理示意圖；(b) 時(shí)間分辨MOKE測(cè)量觀(guān)察到的相干振蕩

       該研究通過(guò)在變溫變磁場(chǎng)條件下的時(shí)間分辨測(cè)量，清楚的觀(guān)測(cè)到了GdTiO₃在微觀(guān)時(shí)間尺度上的磁性變化，通過(guò)分析詳細(xì)解釋了磁性演化的內(nèi)在機(jī)制。這對(duì)于鈣鈦礦類(lèi)量子材料的應(yīng)用具有十分重大的意義。

       作為世界上早期就使用超精強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)--OptiCool的用戶(hù)，R. D. Averitt教授利用OptiCool超高的溫度穩(wěn)定性、超低震動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、多窗口等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，這對(duì)于該研究工作起到了決定性作用。我們期待超精強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)的用戶(hù)能夠取得更多科研成果。

設(shè)備信息

       OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)，2019年正式向美國(guó)以外市場(chǎng)銷(xiāo)售，目前中國(guó)已經(jīng)銷(xiāo)售5套。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達(dá)7T的磁場(chǎng)。多達(dá)7個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口方便光線(xiàn)由各個(gè)方向引入樣品腔，高度集成式的設(shè)計(jì)讓您的樣品在擁有低溫磁場(chǎng)的同時(shí)擺脫大型低溫系統(tǒng)的各種束縛。OptiCool是全干式系統(tǒng)，啟動(dòng)和運(yùn)行只需少量氦氣。全自動(dòng)軟件控制可實(shí)現(xiàn)一鍵變溫、一鍵變場(chǎng)；避震、控溫技術(shù)讓控溫更智能；新型磁體更好的結(jié)合了超大均勻區(qū)與超大數(shù)值孔徑。OptiCool可以滿(mǎn)足低溫、磁場(chǎng)、電學(xué)、光學(xué)對(duì)材料的多維調(diào)控，這將是量子材料研究的優(yōu)選方案。

參考文獻(xiàn)：

[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).