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            二维磁性材料非线性光学研讨获得重要发展

            admin 2019-08-08 192人围观 ,发现0个评论

            据观察者网从复旦大学物理系得悉,近年来,二维磁性资料在国际上成为备受重视的研讨热门。它们能将自发磁化坚持到单原胞层厚度,为人们了解和调控低维磁性供给了新的研讨渠道,也为二维磁性与自旋电子学器材的研制拓荒了新的方向,在新式光电器材、自旋电子学器材等方面有着重要运用价值。

            虽然二维磁性资料的铁磁性质已有研讨,但反铁磁态因为不具有微观磁化,资料体系全体对外不表现出磁性,加之样品既薄又小,其试验研讨是范畴内的一大难题。

            针对这一问题,近来,复旦大学物理系吴施伟课题组与华盛顿大学许晓栋课题组协作,在二维磁性资料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学呼应,并提醒了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的相关。北京时刻8月1日清晨,相关研讨效果以《反铁磁双层三碘化铬中巨大的非互易二次谐波发作》(“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”)为题宣布于《天然》(Nature)杂志。

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            双层三碘化铬 图片来自复旦大学物理系网站

            将经典办法引进新范畴 拓荒宽广研讨空间

            研讨工作中观测到的由层间反铁磁诱导的二次谐波呼应让团队成员们非常振奋,因为他们知道,这在二维资料的研讨和非线性光学范畴都具有重要的含义。

            “含义首要在于其独特性。”吴施伟介绍,迄今为止二维资料范畴所研讨的二次谐波大多由晶格结构的对称破缺引起。“对称破缺也便是损坏对称性,例如人的左右手原本是镜面对称的,假如一只手指受伤,那么镜面对称就破缺了。”而这种由磁结构发作的非互易二次谐波和前者有本质区别,从原理上就非常新颖。

            反铁磁资料因为没有微观的磁矩,对外部的物理鼓励一般难以发作微观的可丈量的呼应,对仅有几个原子层厚的二维反铁磁资料往往力不从心。“曩昔这个问题就像是灯火照不到的当地,一片漆黑无从下手。但是便是这样的一种‘暗’状况,现在能经过二次谐波的办法变‘亮’。这也是将一种经典的办法引进一个新范畴的美好地点。”吴施伟对此颇有感受。这种二次谐波进程对资料磁结构的对称性高度活络,为二维磁性资料的研讨拓荒了宽广的研讨空间。

            研讨团队一起发现,双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号比较于曩昔已知的磁致二次谐波信号(例如氧化铬Cr2O3),在呼应系数上有三个以上数量级的提高,比惯例铁磁界面发作的二次谐波更是高出十个数量级。运用这一激烈的二次谐波信号,团队得以提醒双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。

            吴施伟介绍,体材三碘化铬在高温下归于单斜(monoclinic)晶系,在低温下发作结构相变而变为菱形(rhombohedral)晶系,两者的不同在于范德瓦尔斯效果(一种原子或分子之间的彼此效果力,比较于化学键的彼此效果,范德瓦尔斯彼此效果弱得多)的层间平移。但在寡层极限下,低温下的晶格堆叠结构还存在着争议。团队在试验中运用一束偏振光丈量了资料在空间不同方向的极化,经过二维磁性材料非线性光学研讨获得重要发展丈量偏振极化的二次谐波信号,发现它与单斜晶格的堆叠结构都具有镜面对称性,这与国际上新近宣布的理论计算结果一起,为研讨二维资料层间堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的相关供给了新的试验依据和研讨手法。

            立异研制试验体系 完成基础研讨打破

            研讨团队在试验中勘探的反铁磁资料仅有两个原胞层厚度(厚度在2nm以下),而在此条件下,中子散二维磁性材料非线性光学研讨获得重要发展射等丈量手法很难见效。针对这一问题,团队根据曩昔多年在二维资料非线性光学研讨范畴的堆集,运用了光学二次谐波这一办法来勘探二维磁性资料的磁结构与相关特性。

            光学二次谐波进程对体系的对称性高度活络,光学二次谐波的勘探办法从体系的对称性下手,可以活络地勘探体系的反铁磁性。与一般勘探磁性的试验手法不同,它不依赖于资料的微观磁性,而取决于微观磁结构形成的对称破缺。双层三碘化铬在反铁磁态下,其磁结构不光打破了时刻反演对称性,也一起打破了空间反演对称性,由此发作激烈的非互易二次谐波呼应。当体系升至改动温度以上、或施加面外磁场拉为铁磁态后,磁结构的对称性却发二维磁性材料非线性光学研讨获得重要发展作了改动,这一二次谐波信号也随之消失。

            自2017年至今,两年的协力共进浇灌出现在的效果。团队首要运用试验室已有的无液氦可变温显微光学扫描成像体系进行了开始丈量,但因为该体系没有磁场,许多要害的试验丈量受到了约束。为处理这一问题,课题组成员攻坚克难,运用一套无液氦室温孔超导磁体,自主研制搭建了一套无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像体系,并凭借新体系完成强磁场下的光学丈量,完成了要害数据的勘探。

            据悉,该研讨工作的协作团队还包含香港大学教授姚望、卡耐基梅隆大学教授肖笛、华盛顿大学教授曹霆、美国橡树岭国家试验室研讨员Michael McGuire,以及我系教授刘韡韬、陈张海、高春雷等。吴施伟和许晓栋为文章的通讯作者,我系博士研讨生孙泽元和易扬帆为一起榜首作者。研讨工作得到天然科学基金委、科技部严重研讨方案和要点研制专项方案等项目经费的支撑。

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