揭示量子材料調控內在機制 —超精全開放強磁場低溫光學研究平臺

研究進展

       今年8月，美國加州大學圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt課題組在量子材料調控方面取得了重要進展。該研究工作用超精全開放強磁場低溫光學研究平臺所搭建的測量系統，通過低溫磁場環境下的超快泵浦測量詳細研究了GdTiO₃鈣鈦礦材料在光激發下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時間尺度上的各種演化機制。這對于可應用于量子信息域的鈣鈦礦類量子材料實現超快的量子調控十分重要。相關研究成果以“鐵磁緣體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。

測量設備與光路示意圖（圖片來源于R. D. Averitt教授關于本工作的公開報告）

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

       GdTiO₃在鈣鈦礦材料相圖中處于鐵磁-反鐵磁的邊緣區域，在基態時Gd磁晶格與Ti磁晶格成反鐵磁耦合排列，材料表現出亞鐵磁性，同時材料還是莫-哈伯德緣體和軌道有序態。該研究工作在不同溫度和不同磁場環境下對GdTiO₃材料進行了時間分辨的反射率和磁光克爾測量。材料的反射率和克爾轉角在飛秒、皮秒時間尺度上表現出了多種演化機制。針對在皮秒量上的自旋-晶格相互作用機制，通過采用660 nm對應于Ti 3d-3d 軌道Mott-Hubbard帶隙的光激發，對所得MOKE信號的分析可以得出，光激發擾亂了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。進而光激發所產生的熱效應逐漸影響Gd磁晶格的穩定性使得材料的凈磁矩減少。另外，實驗觀察到MOKE和反射率測量在皮秒尺度上都有相干振蕩，且隨著時間發生明顯的紅移。該振蕩對應于光激發在材料中產生的應力波（相干聲子）。通過分析得出，該應力波與材料的磁性也有密切的對應關系，表明通過聲子與磁性的耦合來直接調控磁性也具有很大的可行性。

不同溫度、不同磁場下時間分辨MOKE測量觀察到的GdTiO₃材料磁性的演變

(a)光激發后磁矩演化的原理示意圖；(b) 時間分辨MOKE測量觀察到的相干振蕩

       該研究通過在變溫變磁場條件下的時間分辨測量，清楚的觀測到了GdTiO₃在微觀時間尺度上的磁性變化，通過分析詳細解釋了磁性演化的內在機制。這對于鈣鈦礦類量子材料的應用具有十分重大的意義。

       作為上早期就使用超精強磁場低溫光學研究平臺--OptiCool的用戶，R. D. Averitt教授用OptiCool超高的溫度穩定性、超低震動、強磁場、多窗口等點設計了功能強大的光學測量系統，這對于該研究工作起到了決定性作用。我們期待超精強磁場低溫光學研究平臺的用戶能夠取得更多科研成果。

設備信息

       OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精全開放強磁場低溫光學研究平臺，2019年正式向美國以外市場銷售，目前中國已經銷售5套。系統擁有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7T的磁場。多達7個側面窗口、1個頂部超大窗口方便光線由各個方向引入樣品腔，高度集成式的設計讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時擺脫大型低溫系統的各種束縛。OptiCool是全干式系統，啟動和運行只需少量氦氣。全自動軟件控制可實現鍵變溫、鍵變場；避震、控溫技術讓控溫更智能；新型磁體更好的結合了超大均勻區與超大數值孔徑。OptiCool可以滿足低溫、磁場、電學、光學對材料的多維調控，這將是量子材料研究的選方案。

參考文獻：

[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).