物質學院張石磊教授團隊在多鐵材料自旋動力學研究中取得重要成果

ON2019-12-28文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

近日,上海科技大學物質學院張石磊教授團隊在多鐵材料自旋動力學研究中取得重要成果:通過最新開發的同步輻射軟X射線散射實驗精確重構出六角鐵氧體(hexaferrite)材料鐵磁共振的全部過程,首次在世界上開發出軟X射線“雙共振散射”的實驗手段。這一全新的表征方法為凝聚態磁學以及拓撲磁學的發展開辟了新的途徑。該研究成果以“Mode-Resolved Detection of Magnetization Dynamics Using X-ray Diffractive Ferromagnetic Resonance”為題發表在學術期刊《Nano Letters》。

共振現象是關聯體系的基本性質。在磁性材料中,由于磁矩之間的微觀相互作用,產生了磁振子體系。磁振子的結構在動量空間由獨特的色散關系勾勒(能量-動量),而當外界激發能量(電磁波)匹配在能隙能量時,會引發躍遷現象:磁共振。因此,鐵磁共振(FMR)是研究關聯磁性體系的重要實驗手段。但是,FMR在實驗上只測量到頻域的信息。換句話說,FMR僅僅觀測到了在某一頻率下的吸收現象,而集體共振時磁振子的具體動力學過程(自旋排列和磁結構隨著時間的周期性演化)目前從未在實驗上觀測到。其主要原因是當前缺乏一種既對磁結構敏感,又有超快時間分辨的手段。

為了解決這一問題,張石磊團隊利用同步輻射軟X射線的多維度參量(能量、動量、偏振、時間分辨),開發了“雙共振散射”實驗。這一手段核心的原理在于同步輻射的X光并非連續入射,而是以接近500 MHz的頻率一束一束發射。每一束光的時間寬度為35ps。換句話說,對于大多數同步輻射實驗,如果體系的動力學與500 MHz無關,則這一屬性與連續光無異。然而,對于關聯磁性體系,500 MHz的倍頻(1 GHz-6 GHz)剛好在鐵磁共振的頻率范圍。在實驗上,研究團隊設計了獨特的與光源匹配的共振彈性X光散射(REXS)環境,使得驅動X光的微波在引發樣品鐵磁共振的同時,同步的X光用REXS的方式去探測某一個“凍結”時刻的磁結構。通過一系列頻閃觀測的方法首次重構出了整個鐵磁共振的全部過程。實驗的空間分辨率為原子級別,可對磁矩的三個分量獨立分辨,時間分辨率為35ps。通過對共振過程的精確表征,磁振子在量子層面的物理機制亦可完全被揭示。值得一提的是,該工作基于英國鉆石光源,光束寬度僅為35ps。而在上海光源的光束寬度可以達到15ps,且光通量更大。將更高質量的雙共振散射在上海光源S2光束線實現是課題組下一步的目標。

上海科技大學是該工作的主要完成方,張石磊教授為通訊作者。該工作與英國鉆石光源、中科院物理所磁學國家重點實驗室、重慶大學和牛津大學共同合作完成。該研究得到了上科大科研啟動基金和上海科技大學拓撲物理實驗室的大力支持。

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.9b03989