超快自旋动力学:从飞秒磁学到阿秒磁学

超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后,在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为.随着激光技术的不断提升,1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域,是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径.尽管已有几十年的历史,飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决,而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程.利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用,可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为,即阿秒磁学.本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题,阿秒磁学研究的机遇与挑战,并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.

Co2FeAl合金薄膜在垂直外磁场下的超快自旋动力学

文章通过使用时间分辨磁光克尔光谱技术研究了Co2FeAl赫斯勒合金薄膜在施加垂直外磁场下的激光诱导超快自旋动力学。实验结果表明,在严格垂直外磁场下同时激发出表面波模和驻波模两种自旋波模式,且均呈现出自旋波频率随磁场增大而减小的特殊现象。此外,通过衰减特性研究发现,驻波模的磁阻尼因子与外磁场并无明显依赖关系,而表面波模的磁阻尼随磁场增大而增大。通过分析表面波模的群速度讨论了该模式磁阻尼外场依赖特性的成因。实验揭示了钴基赫斯勒合金薄膜在严格垂直外磁场下的自旋波动力学性质,对于推进该类材料在新一代自旋电子器件中的应用具有积极意义。

偏振光诱导的[Pt/Co]_(3)MnIr薄膜中的电子自旋动力学研究

使用时间分辨的磁光克尔泵浦探测系统,研究了铁磁-反铁磁(Ferromagnetism-Antiferromagnetism,FM-AFM)薄膜在不同偏振态的泵浦光激发下退磁信号的区别,以及光子角动量和激光热效应在泵浦探测过程中发挥的作用.基于逆法拉第效应,圆偏振光能够生成有效感应磁场,诱导电子轨道自旋定向.受光子携带角动量方向的影响,瞬态克尔峰的方向会发生改变,其方向与外磁场方向无关.通过改变MnIr层厚度的实验发现,顺磁电子的磁化是瞬态克尔峰的主要来源.这对未来进一步探索全光磁翻转中的自旋动力学机制具有重要意义.

拓扑绝缘体中的超快电荷自旋动力学

拓扑绝缘体是根据动量空间的拓扑不变量来定义的一类区别于普通绝缘体的新兴拓扑非平庸材料,其体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质,并且其表面态具有独特的自旋结构(自旋-动量锁定),因此该类材料在光电器件和自旋电子器件领域有很多潜在的应用.由于开展这些应用研究首先需要对这类材料中的电荷与自旋动力学有全面的了解,所以拓扑绝缘体中的非平衡物理性质的研究引起了人们极大兴趣.本文对这一研究领域所作的研究工作做了一个较全面的描述,特别是跟时间分辨超快光谱相关的实验工作.并希望文中的讨论能激发研究者尤其是理论工作者对这一领域进一步的探讨,同时期待目标研究对象也能扩展到其他拓扑材料体系.

Fe_(m)B_(20)(m=1,2)团簇中超快自旋动力学的第一性原理研究

利用量子化学第一性原理计算,对FeB_(20)和Fe_(2)B_(20)团簇的几何构型、电子结构以及由激光诱导的超快自旋动力学进行了研究.计算结果发现,Fe B20团簇中Fe原子倾向吸附于B20管内,而Fe_(2)B_(20)团簇的两个Fe原子分居管内外时更稳定.后者由于磁原子个数的增多,引入了更多的d电子态而表现出结构整体能级的下移;同时,由于该结构两磁原子吸附环境的不同,使得其能态具有不同自旋局域的可能性.基于体系所得多体电子基态和激发态,在特定激光脉冲诱导下,在两个团簇上均实现了亚皮秒时间尺度内的超快自旋翻转和自旋交叉两种动力学过程.其中前者均可逆,且保真度都高达89.7%及以上,后者保真度略低,均在78%及以下.另外,在Fe_(2)B_(20)团簇上,实现了两个Fe原子之间的超快自旋转移动力学,其所需激光能量由于初末态较大的能级差和较多的中间态参与而较之其他动力学最高.本文工作为吸附磁原子的管状硼团簇体系上所实现的超快自旋动力学功能进行了预测,可望对其未来的实验实现以及相关自旋逻辑功能器件的设计和应用提供理论指导.

光诱导反铁磁性绝缘体Cr_2O_3超快退磁动力学研究

研究了光激发反铁磁性绝缘体Cr_2O_3超快退磁动力学.通过对反铁磁性Cr_2O_3的光吸收谱进行分析,计算了不同态之间的能量差.通过解耗散薛定谔方程研究了2.5 e V激发电子从高自旋态到低自旋态的超快动力学过程.利用数值模拟的方法计算出反铁磁性绝缘体Cr_2O_3的退磁时间为350飞秒,这个结果与实验结果符合得很好;此外,进一步分析了Cr_2O_3的退磁路径.证明耗散薛定谔方程是研究电子从高自旋态到低自旋态弛豫的一种有效的量子方法.

基于超快自旋电子学太赫兹发射源的研究与应用

太赫兹科学技术在生物传感、显微成像、无线通信、无损检测等领域展现出了巨大的研究潜力和应用价值.然而,目前制约太赫兹技术快速发展的瓶颈之一在于缺乏高效率、高集成度、低功耗以及易调制的太赫兹发射源器件.自旋太赫兹源基于铁磁层/非磁层异质结体系中的超快自旋-电荷转换产生太赫兹辐射,具有宽频带、低成本、易加工、高场强等优势,近年来吸引了许多国内外学者的研究兴趣.本文首先对基于超快自旋动力学的太赫兹发射机理进行了简要介绍,分析并综述了其效率调控与优化的可行方案;并进一步针对自旋太赫兹的新型发射机理及研究应用前景进行了重点分析,新型发射包括基于不同手性及偏振态自旋太赫兹的发射及基于新材料体系的自旋太赫兹发射源探索,应用前景包括自旋太赫兹光谱技术、自旋太赫兹成像技术及自旋太赫兹发射-调控一体化技术等;最后总结全文,并对未来基于超快自旋电子学太赫兹发射源的改善、探索及应用,以及基于太赫兹电磁脉冲研究自旋电子学的微观机理做出了展望.

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题征稿

征稿范围:包括但不限于以下内容的超快激光加工的研究与应用:激光诱导自组织周期微纳结构的机理;激光诱导自组织周期微纳结构的超快动力学过程;基于LIPSS的大尺寸、高质量纳米光栅加工技术;激光诱导表面自组织周期微纳结构在其他领域的应用;薄膜材料上的激光诱导自组织周期微纳结构;超衍射和两维激光诱导自组织周期微纳结构;激光诱导前向转移技术;透明材料内部的激光诱导自组织微纳加工;用于微纳加工的超快激光光源与调制技术。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题征稿

征稿范围:包括但不限于以下内容的超快激光加工的研究与应用:激光诱导自组织周期微纳结构的机理;激光诱导自组织周期微纳结构的超快动力学过程;基于LIPSS的大尺寸、高质量纳米光栅加工技术;激光诱导表面自组织周期微纳结构在其他领域的应用;薄膜材料上的激光诱导自组织周期微纳结构;超衍射和两维激光诱导自组织周期微纳结构;激光诱导前向转移技术;透明材料内部的激光诱导自组织微纳加工;用于微纳加工的超快激光光源与调制技术。

TbFeCo薄膜激光诱导超快自旋动力学的成分比研究

采用基于磁光克尔效应的泵浦-探测技术研究不同成分比TbFeCo磁性薄膜的激光诱导超快自旋动力学过程,成功观测到具有几百飞秒的超快退磁以及几十皮秒的慢退磁的两步退磁现象.根据四温度模型,TbFeCo中的第一步超快退磁现象是由电子-自旋作用引起,第二步慢退磁现象是由晶格-FeCo自旋-Tb自旋作用引起的.不同成分比TbFeCo样品的对比实验显示,随着Tb含量增加,两步退磁程度减弱,第二步慢退磁时间增大,进一步验证四温度模型的合理性.

磁性纳米结构中由激光引起的超快自旋动力学研究

以单个磁性中心的NiO以及由Co和Ni等元素构成的双磁性中心的纳米结构为例,总结了近年所做的主要工作.为了在理论上实现磁性纳米结构中的超快自旋翻转和转移,提出了一种称为Λ进程(Λprocess)的超快自旋转换机理.在实际计算中,首先采用量子化学第一性原理计算得到磁性纳米结构中精确的隙间d电子态,然后考虑外加磁场和自旋轨道耦合分析磁性原子中的自旋局域化程度,最后引入激光脉冲项,研究在其作用下材料的自旋态经由Λ进程实现转换的时间历程.研究结果表明自旋翻转和转移可以在线偏振光的作用下在亚皮秒的时间尺度内完成.为了进一步实现对磁性分子自旋操控的检测和监控,采用附加于磁性中心上的CO分子对磁性分子进行标记.计算得到的与自旋态相关的C—O键振动频率表明自旋操控可以较容易地经由红外光谱实验间接监控.

超快太赫兹光谱洞悉瞬态自旋动力学——上海大学金钻明副教授

传统微电子学只研究和应用电子的电荷属性来输运能量与信息,而关于电子的另一个内禀属性,奇特的量子性质——自旋,研究的相对较少。近年来,鉴于超快脉冲激光抽运-探测技术的飞秒时间分辨,为研究磁有序材料提供一个强有力的研究手段,能得到材料中的超快自旋动力学信息。

基于自旋电子学的太赫兹波产生方法

自旋电子学的某些物理现象,如交换型磁振子、反铁磁共振、超快自旋动力学等,其特征频率刚好处于太赫兹频段。利用相应的自旋电子学现象和原理,研究人员发现和建立了若干新型的太赫兹波产生方法,为新型太赫兹源的实现和发展提供指导方向。这些新型产生方法有:a)自旋注入产生太赫兹波;b)基于反铁磁共振的太赫兹波产生;c)基于超快自旋动力学的太赫兹波产生。理论及实验结果表明,基于自旋电子学的太赫兹产生方法具有较大的潜力,有望推动太赫兹技术的发展。

抽运-自旋定向-探测技术及其应用

抽运-自旋定向-探测是最近发展起来的一种新型瞬态测量技术,该技术在胶体纳米结构电荷分离超快动力学探测中具有独特的优势.本文在比较传统的两光束载流子抽运-探测以及自旋抽运-探测的基础上,深入分析了三光束抽运-自旋定向-探测技术的特点、光路配置及其在胶体量子点光致负荷电、正荷电探测中的应用.最后对三光束抽运-自旋定向-探测技术的更多应用前景作出展望.

激光诱导液态水中产生非平衡态等离子体研究获进展

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员孟胜研究组利用自主开发的激发态动力学模拟软件TDAP研究了激光诱导的液态水中等离子体的超快产生过程。非绝热的激发态动力学模拟可以直接追踪激光诱导的液态水电子-离子耦合系统的超快动力学过程和能量转移路径。

高时空分辨透射电子显微镜发展与应用

超快透射电子显微镜(Ultrafast Transmission Electron Microscopy,UTEM)集成了高空间和时间分辨率,使直接可视化材料的动力学过程成为可能。本文主要介绍UTEM系统的发展和应用:基于泵浦-探测(Pump-Probe)技术的UTEM系统的基本原理;目前全世界范围内几个主要机构的UTEM系统;中科院物理所李建奇研究员团队自主研发的基于热发射电子枪的第一代UTEM系统和基于场发射电子枪(Field Emission Electron Gun,FEG)的第二代UTEM系统;UTEM系统中的超快实空间成像、超快电子衍射(Ultrafast Electron Diffraction,UED)、时间分辨电子能量损失谱(Time Resolved Electron Energy Loss Spectrum,TREELS)相结合的最新研究成果,例如晶格和电子动力学、相变动力学、光诱导近场电子显微镜(Photon-Induced-Near-Field Electron Microscopy,PINEM)等。目前,超快电镜已经成为研究微纳尺度下非平衡态动力学过程的独一无二的工具。未来,随着电子脉冲质量和TEM的空间分辨率不断提高,有望实现具有更高时空分辨能力的UTEM系统。中国对UTEM的研究投入较少,当前应抓住UTEM的发展机遇,高效推进UTEM领域的关键技术、核心部件和重大产品创新和产业发展,将科技创新和产业发展紧密衔接。

利用激光实时频谱直接观测分子结构变化(英文)

利用脉宽小于5 fs的激光脉冲超快光谱同时研究了RuⅡ(TPP)(CO)的电子弛豫和振动动力学。研究认为,由1Qx(1,0)(π,π*)and1Qx(0,0)(π,π*)产生的信号按1Qx(1,0)(π,π*)→1Qx(0,0)(π,π*)→3(d,π*)→3(π,π*)和1Qx(0,0)(π,π*)→3(d,π*)→3(π,π*)的顺序从高能态衰减到低能态1。Qx(1,0)(π,π*),1Qx(0,0)(π,π*),3(d,π*),和3(π,π*)的电子寿命依次为(230±70)fs,(1 150±260)fs,(2 150±360)fs和极大于4.8 ps3。(d,π*)和3(π,π*)的寿命估计为(2150±360)fs和极大于4.8 ps。计算动态Stokes-shift过程中的能量衰减率,得到了从1Qx(1,0)(π,π*)到1Qx(0,0)(π,π*)的渡越时间为(190±40)fs,表明1Qx(1,0)(π,π*)的寿命与该渡越时间有相对较好的一致性。对频谱图的分析表明,依赖时间变化的振动光谱与自旋态变化有关,自旋态可以通过曲线交叉点或者单态和三重态之间的势能面的圆锥交面从激发单重态中的Franck-Condon态变化到三重态。研究发现,不能简单地使用单重态信号频谱的指数衰减形式和三重态振动信号频谱的指数增长形式来表示这种动态变化。相反,振动频谱的变化伴随着复杂的动态变化。首先,单重态振动频谱发生衰减,然后产生不同于单重态和三重态的新的振动频谱。新的振动频谱增长和衰减后,三重态的振动频谱开始增长。这种动态变化似乎与电子频谱的动态变化不同,将这种明显差异的原因解释为:振动频谱的变化可以敏感地检测处于平衡点和过渡状态或者接近锥形交集状态中的单重态和三重态的结构差异。

光谱与光谱理论

O433 98052882超快激光Raman诱导分子基态转动相干及其光谱的精细结构=Ultrafast laser Raman inducedmolecular rotational coherence and its spectraprecision structure[刊,中]/赵仪,何国钟(中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室。辽宁,大连(116023))∥自然科学进展。—1997,7(4)。