基于自旋波超快探测研究CrXTe3(X=Si,Ge)中的自旋相互作用及其竞争机制

In 2017, the discovery of long-range magnetic order under the two-dimensional limit makes the two-dimensional van der Waals magnetic materials, represented by CrXTe3 (X=Si, Ge), become the focus of condensed state physics research. Theoretical studies have pointed out that there are many coupling ferromagnetic and anti-ferromagnetic exchanges behind the macroscopic ferromagnetic of this kind of material, and understanding the relationship between the interaction is key to the understanding of the two-dimensional magnetic mechanism. However, at present, the study based on equilibrium magnetism can not effectively identify many of the exchange interactions, and their interaction relationship as well as the influence mechanism on two-dimensional magnetic order needs to be clarified urgently. On the basis of the previous work, in this project we will use ultra-fast magneto-optical Kerr technology to carry out controllable excitation and ultra-fast detection of spin waves in two-dimensional magnetic materials such as CrXTe3, 1) to realize effective distinction between FM and AFM interactions according to the difference in oscillation frequency and phase of FM and AFM spin waves; 2) to analysis the competition and restriction relationship between them by magnetic field-temperature dependence of time/ frequency domain spin wave ultra-fast dynamic parameters. Through this study, we will strive to elucidate the mechanism of spin interaction in two-dimensional long-range magnetic order, and to provide experimental basis for understanding the two-dimensional magnetic origin of the present characteristics from the perspective of dynamic magnetism.

2017年，二维极限下长程磁有序的发现使以CrXTe3(X=Si, Ge)为代表的van der Waals二维磁性材料成为了凝聚态物理研究中的焦点。已有理论研究指出：该类材料的宏观铁磁性背后还蕴含着多种相互耦合的铁磁、反铁磁交换作用，理解其相互作用的关系是理解二维磁性机理的关键之一。但目前基于平衡态磁性的研究无法对其中的多种交换作用进行有效识别，其相互作用关系及对二维磁有序的影响机制亟待澄清。本项目将在前期工作基础上，利用超快磁光克尔技术对CrXTe3这类二维磁性材料中的自旋波进行可控激发和超快探测，1）利用铁磁、反铁磁自旋波在振荡频率和相位上的差异实现两种相互作用的有效区分；2）通过自旋波时域/频域超快动力学参数的磁场-温度依赖关系分析它们之间的竞争与制约关系。通过该研究，力争阐明二维长程磁有序中的自旋相互作用机制，从磁动力学角度为理解本征二维磁性起源提供实验基础。

近年来，以CrXTe3(X=Si, Ge)为代表的van der Waals二维磁性材料中铁磁、反铁磁相互作用的关系成为了研究热点。本项目旨在对CrXTe3这类二维磁性材料中的自旋波进行可控激发和探测，实现两种相互作用的有效区分并分析它们之间的竞争与制约关系，力争阐明二维长程磁有序中的自旋相互作用机制，从磁动力学角度为理解本征二维磁性起源提供实验基础。.为此，开展了二维磁性材料中长程磁有序结构的直接观测，研究了静态和准静态条件下材料表面磁畴形态和影响因素。研究了超快激光对二维磁性材料长程磁有序状态的影响，从动态磁性角度研究了二维磁性材料的自旋动力学特征。.首先，利用宽场显微MOKE技术探测了二维磁性纳米片磁光Kerr效应，发现波长和厚度均可对其Kerr角的符号和幅值进行调制，建立了干涉模型对其进行分析，为后续实验设计和数据分析打下了基础。.第二，对准二维铁磁体Cr5Te8磁畴结构及其随磁场的演化的研究表明宏观畴结构与晶体的微观面内晶格结构密切相关，而且表面缺陷会阻碍或引导磁畴的生长。.第三，超快激光能够对准二维材料Cr5Te8磁畴进行熔化和淬火，这为未来光学自旋电子器件调制磁畴结构提供了一种可行的技术方法。.第四，利用强磁场下的超快磁光技术（TR-MOKE）对二维vdW半导体Cr2Ge2Te6、二维vdW金属Fe3GeTe2以及三维金属Cr3Te4的自旋动力学进行对比性研究，发现了Cr2Ge2Te6的超长自旋弛豫行为，揭示了晶格维度和热扩散各向异性对二维磁性材料的自旋动力学的关键作用。这些效应的研究有助于帮助理解材料维度、外部因素等对其磁性和自旋交换作用与超快动力学行为的影响方式，从而便于分析二维磁性材料中的自旋相互作用及其竞争与制约机制。.本项目研究成果不仅为加深人们对二维磁性材料中各种竞争（特别是FM和AFM相互作用的竞争）如何影响材料的长程磁有序结构的理解提供支撑，也将帮助人们找到调控二维磁性的方法并发展新型低维自旋电子学器件，因此可以为低维材料磁学理论研究与高密度磁存储、磁传感器等重要应用研究提供坚实的基础。