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南京大學在光調控本征二維鐵磁性方面取得重要進展

2021-01-21

我校電子科學與工程學院徐永兵教授團隊在光調控本征二維鐵磁性方面取得重大突破,首次利用飛秒激光在二維鐵磁體(Fe3GeTe2)中實現了室溫鐵磁性及對磁矩和磁各向異性的光場調控。這一成果首次在國際上實現了針對本征二維鐵磁性的光場調控,并進一步揭示實現磁性調控的物理機制為光生載流子誘導的電子結構的變化,開辟了光對自旋調控的新方向。

近年來,在一些層間范德華力結合的磁性材料中,其磁性被發現可以在原子層級厚度仍然得到保留。這一發首次在實驗上證實了本征二維鐵磁體的存在,使得二維材料構建電子異質結構器件的獨特優勢能夠應用到自旋電子學中,極大地促進了電子自旋在存儲、通訊以及量子技術等方面的應用。近年來針對本征二維鐵磁體的研究主要集中在電學(如測試電子隧穿電阻比值及電壓調控居里溫度)以及化學組分調控等方式。但是如何利用光-物質相互作用調控本征二維鐵磁性仍然未被關注以及研究。徐永兵教授團隊選取了具有巡游鐵磁性且居里溫度較高(約200 K)的Fe3GeTe2為研究對象,利用基于飛秒脈沖激光的磁光克爾技術,同時實現室溫磁性(300 K)的產生和檢測。該實驗證明,通過改變飛秒激光的強度,不同原子層級厚度的Fe3GeTe2磁化強度以及磁各向異性均能夠被連續改變(如圖),首次證明飛秒脈沖激光能夠有效調控本征二維鐵磁性。同時,通過與連續光激發Fe3GeTe2的結果對照,該工作表明光生載流子對該材料中的光調控磁性發揮著重要的作用,為理解二維鐵磁性的基本物理機制提供了新的實驗證據。

圖. 不同厚度的Fe3GeTe2飽和磁化強度和矯頑力在室溫下同飛秒激光激發強度的依賴關系。

該成果以“Light-Tunable Ferromagnetism in Atomically Thin Fe3GeTe2 Driven by Femtosecond Laser Pulse”為題于2020年12月31日在物理評論快報《Physical Review Letters》上在線發表[ Phys. Rev. Lett. 125, 267205 (2020)]。

南京大學博士生劉波為論文第一作者,南京大學徐永兵教授、阮學忠高工以及復旦大學修發賢教授為論文的共同通訊作者。南京大學為論文第一單位,該工作得到江蘇省光電信息功能材料重點實驗室、江蘇固態照明與節能電子學協同中心、南京大學-約克大學聯合中心、國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大儀器項目、江蘇省前沿探索基金的支持。此外,徐永兵教授團隊最近在二維自旋電子學方面取得了系列重要進展,例如:首次觀測到磁性拓撲絕緣體中表面自旋有序態可獨立存在,以“Experimental Observation of Dual Magnetic States in Topological Insulators”為題,發表在 Science Advances(2019; 5 : eaav2088);以團隊及其合作單位在二維自旋電子學方面的工作為主體,應國際著名出版社Elsevier邀請,發表專著(Spintronic 2D Materials: Fundamentals and Applications, ISBN: 9780081021545, 2020.)。

(來源:南京大學

 



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