Αναδιαμόρφωση των δομών μαγνητικού πεδίου του ErFeO 3 από έντονους παλμούς λέιζερ ηλεκτρονίων χωρίς terahertz

Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ έντονων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων terahertz (THz) και συστημάτων περιστροφής αποκτά σημασία στη σύγχρονη έρευνα σπιντρονικής ως ένα μοναδικό μονοπάτι για την πραγματοποίηση εξαιρετικά γρήγορου μακροσκοπικού ελέγχου μαγνητισμού. Σε αυτήν την εργασία, χρησιμοποιήσαμε έντονους παλμούς THz με ενέργειες παλμού της τάξης των 10 mJ / παλμού που δημιουργήθηκαν από το λέιζερ ηλεκτρονίων ελεύθερου terahertz (THz-FEL) για την ακτινοβόληση των σιδηρομαγνητικών περιοχών του ErFeO 3μονό κρύσταλλο. Διαπιστώθηκε ότι το σχήμα τομέα μπορεί να επαναδιαμορφωθεί τοπικά με ακτινοβολία των παλμών THz - FEL κοντά στο όριο του τομέα. Ο παρατηρούμενος μηχανισμός αναδιάρθρωσης τομέα μπορεί να γίνει κατανοητός φαινομενολογικά με το συνδυασμό της επίδρασης και της εντροπικής δύναμης λόγω της τοπικής θερμικής κλίσης που ασκείται από την ακτινοβολία terahertz. Η ανακάλυψή μας ανοίγει μια νέα δυνατότητα πραγματοποίησης θερμικών περιστροφών σε εύρη συχνοτήτων THz χρησιμοποιώντας παλμούς THz-FEL. Εισαγωγή Η εφαρμογή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου terahertz (THz) με μεγάλα πλάτη πεδίου έχει επεκταθεί τεράστια τα τελευταία χρόνια ως ευπροσάρμοστα μέσα που επιτρέπουν την παρατήρηση ηλεκτρονικών καταστάσεων χωρίς ισορροπία σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης, οδηγώντας τους στοιχειώδεις βαθμούς τους πολύ πέρα ​​από την ισορροπία 1 , 2 , 3 . Λόγω της προόδου της τεχνικής μετατροπής μήκους κύματος που βασίζεται σε πηγές λέιζερ που είναι μοντελοποιημένα femtosecond, κύματα THz λίγων κύκλων με ενέργειες παλμού αρκετών τάξεων microjoule έχουν γίνει ένα κοινό εργαλείο σε εξαιρετικά γρήγορα πειράματα φασματοσκοπίας για την πραγματοποίηση δραστικών αλλαγών στις μακροσκοπικές ιδιότητες των συσχετισμένων συστημάτων, όπως αγωγιμότητα 4 , 5 , σιδηροηλεκτρική πόλωση 6 , 7, μοριακός προσανατολισμός 8 , τροχιακή σειρά 9 και περιστροφικός προσανατολισμός 10 , για να μετρήσει μερικά. Ειδικότερα, η δυναμική των συστημάτων περιστροφής που προκαλούνται από υπερβολικούς παλμούς THz έχουν προσελκύσει την προσοχή από την άποψη της τεχνολογίας εξαιρετικά γρήγορης σπιντρονικής 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , όπου ο τελικός στόχος είναι να επιτευχθεί μακροσκοπικός έλεγχος καταστάσεων μαγνητισμού σε σιδηρομαγνητικά πεδία 17 , 18 , 19 . Από την άλλη πλευρά, σε οπτικά πειράματα η δυναμική του θερμικά διεγερμένου συστήματος περιστροφής αποκτά σημασία, επειδή η φωτοδιεγερτική θερμοποίηση των συστημάτων περιστροφής αλλάζει σημαντικά τις καταστάσεις μαγνήτισης ισορροπίας και μη ισορροπίας και επιτρέπουν μακροσκοπική αλλαγή μαγνητισμού σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες 20 , 21 , 22. Ωστόσο, ενώ υπάρχουν πολλές αναφορές για οπτικά πειράματα αντιστροφής μαγνητικού πεδίου που προκαλούνται από θερμότητα χρησιμοποιώντας ορατούς και σχεδόν υπέρυθρους παλμούς φωτός, πολύ λίγα έργα το αναφέρουν χρησιμοποιώντας παλμούς THz επειδή συμβατικά η παλμική τους ενέργεια είναι πολύ ασθενέστερη από την οπτική. Από την άποψη των πηγών φωτός THz υψηλής έντασης, τα προηγμένα λέιζερ ηλεκτρονίων THz (FEL) προσφέρουν ενέργειες παλμού επιπέδου χιλιοστών, οι οποίες είναι αρκετές τάξεις μεγέθους ισχυρότερες από αυτές που διατίθενται με συμβατική λειτουργία κλειδώματος Ti: Sapphire Πηγές THz. Η εξαιρετικά υψηλή παλμική ενέργεια που περιέχεται στο THz-FEL είναι γνωστό ότι επιτρέπει ακόμη και καταστροφικά φαινόμενα όπως η εκρόφηση των μορίων 23 , 24 και η άμορφη-κρυσταλλική μετάβαση φάσης 5 , 25 ,26 , για να μετρήσουμε μερικά. Σε αυτό το πλαίσιο, μπορεί κανείς να αναμένει ότι η ακτινοβόληση τέτοιων υπερήχων παλμών THz-FEL σε συστήματα περιστροφής θα μπορούσε δυνητικά να οδηγήσει σε μακροσκοπική αλλαγή του μαγνητισμού, διαταράσσοντας έντονα τις κρίσιμες παραμέτρους σειράς όπως ανισοτροπία, αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής και κινητικότητα τοίχου τομέα 27 , 28 , 29 . Ωστόσο, μέχρι στιγμής έχουν γίνει μικρές προσπάθειες σε μια τέτοια κατεύθυνση. Σε αυτό το άρθρο, ακτινοβολήσαμε τους παλμούς THZ − FEL επιπέδου millijoule on σε σιδηρομαγνητικούς τομείς του απλού κρυστάλλου ErFeO 3 . Διαπιστώσαμε ότι τα σχήματα μαγνητικών περιοχών μπορούν να αναδιαμορφωθούν μόνιμα κατά την ακτινοβόληση από THz-FEL, χωρίς να προκαλέσουν μόνιμη ζημιά στο δείγμα. Η διαδικασία θα μπορούσε να εξηγηθεί από το συνδυασμό της εξαιρετικά γρήγορης θερμικής επίδρασης και της εντροπικής δύναμης λόγω της τοπικής θερμικής κλίσης. Το αποτέλεσμα μας καταδεικνύει τις δυνατότητες του THz − FEL ως νέας πηγής φωτός για τη διερεύνηση της θερμικά επαγόμενης δυναμικής περιστροφής στην περιοχή THz και ανοίγει το δρόμο για τις σπιντρονικές συσκευές THz στο μέλλον. Μέθοδοι Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στην εγκατάσταση THz-FEL στο Ινστιτούτο Επιστημονικής και Βιομηχανικής Έρευνας του Πανεπιστημίου της Οζάκα, η οποία βασίζεται στην ηλεκτρονική λωρίδα 40 MeV L-band (1,3 GHz). Το FEL αποτελείται από έναν μόνιμο μαγνήτη (ένα διάστημα 6 cm και 32 περιόδους. Η μεταβλητή του μαγνητικού κενού από 120 έως 30 mm, ή η τιμή K (rms) από 0,01 έως 1,55) και μια ομόκεντρο οπτική κοιλότητα 5,531 m [Εικ. . 1 (α)]. Το linac παρείχε μια δέσμη ηλεκτρονίων με ενέργεια 15 MeV και διάρκεια παλμού περίπου 8 μs σε συχνότητα επανάληψης 5 Hz. Κάθε παλμός αποτελείται από δέσμες ηλεκτρονίων με φόρτιση περίπου 4 nC σε διαστήματα 37 ns για 8 μs. Η συχνότητα επανάληψης των δέσμων ηλεκτρονίων είναι ίση με εκείνη ενός οπτικού παλμού που αναπηδά στην κοιλότητα, έτσι ώστε ένας μοναδικός παλμός FEL να χάνεται εκεί. Ένα μέρος της ενέργειας παλμού εξάγεται μέσω μιας τρύπας στο κέντρο του ανάντη καθρέφτη σε κάθε στρογγυλή διαδρομή του παλμού FEL, έτσι ώστε οι οπτικοί παλμοί που ονομάζονται micopulses να σχηματίζονται σε διαστήματα 37 ns και περιλαμβάνουν μακροπολικούς FEL με διάρκεια έως ~ 6 μs, το οποίο εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας του FEL, στη συχνότητα επανάληψης 5 Hz. Το μήκος κύματος της δέσμης FEL κυμαίνεται περίπου από 40 έως 110 μm για την ενέργεια ηλεκτρονίων των 15 MeV μεταβάλλοντας το διάκενο μαγνήτη του wiggler. Η μέγιστη ενέργεια μακροπόλλου ήταν 40 mJ ή υψηλότερη σε μήκος κύματος περίπου 76 μm (4 THz) που μετρήθηκε στον πειραματικό σταθμό σε αυτό το πείραμα [Εικ. 1 (β) ]. Η ενέργεια μικροπόλλου είναι υψηλότερη από 250 μJ που εκτιμάται από τη μέγιστη ενέργεια μακροπόλλου και τον αριθμό μικροπαλμών ~ 160, ο οποίος υπολογίζεται από τη διάρκεια της μακροπόλιας διαιρούμενη με τα διαστήματα μικροφυλλώματος. Η διάρκεια του μικροφυλλώματος εξαρτάται από το μήκος αποσύνδεσης της οπτικής κοιλότητας και εκτιμάται ότι είναι ~ 2 ps στο συντομότερο, όπου η ενέργεια μακροπόλλου είναι η υψηλότερη. Το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο των μικροπλέξεων εκτιμάται ότι είναι της τάξης αρκετών MV / cm 24 . Αυτοί οι παλμοί εστιάζονται από τον παραβολικό καθρέφτη στο c -cut, πάχους 100 μm single ενός κρυστάλλου ErFeO 3. Πρόκειται για έναν τυπικό ασθενή σιδηρομαγνήτη, όπου οι αντιστροφικές μαγνητικές περιστροφές του δευτερεύοντος πλέγματος επικαλύπτονται ελαφρώς από την αλληλεπίδραση Dyaloshinskii − Moriya και εμφανίζει πεπερασμένο σιδηρομαγνητικό συστατικό. Σε θερμοκρασία δωματίου, ο καθαρός μαγνητισμός προσανατολίζεται παράλληλα με το cάξονας, δηλαδή, ο μαγνητισμός είναι φυσιολογικός στην επιφάνεια. Η δομή του μαγνητικού πεδίου του δείγματος απεικονίστηκε μέσω περιστροφής Faraday του He-Ne συνεχούς κύματος λέιζερ που μεταδόθηκε μέσω του δείγματος με κάμερα CCD, χρησιμοποιώντας ένα ζευγάρι πολωτών με τις σχετικές γωνίες τους προσαρμοσμένες ελαφρώς μακριά από τη διαμόρφωση cross-Nicole. Ο χρόνος απόκτησης CCD ήταν 0,6 s / εικόνα. Πριν από το πείραμα εφαρμόσαμε πόλωση στατικού μαγνητικού πεδίου κάθετα στο δείγμα, έτσι ώστε περίπου το 80% της μαγνητισμού στο δείγμα να προσανατολίζεται προς τα πάνω (κάτω) και το υπόλοιπο 20% προς την αντίθετη κατεύθυνση. [Σύκο. 1 (γ) ]. Δεν χρησιμοποιήθηκε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στο δείγμα κατά την ακτινοβόληση του FEL. Η διάμετρος κηλίδας εστίασης του παλμού THz στην επιφάνεια εκτιμήθηκε ότι ήταν περίπου 200 μm (αξιολογήθηκε σε 1 / e 2-το πλάτος υποθέτοντας προφίλ Gauss). Η θέση εστίασης του παλμού FEL βαθμονομήθηκε εκ των προτέρων με ένα επιπλέον λέιζερ He − Ne που λειτουργεί παράλληλα με τη δέσμη από το FEL. Η ένταση και η πόλωση των παλμών THz ρυθμίστηκαν με ένα ζευγάρι πολωτών καλωδίων

................>>>>Σχηματική απεικόνιση της πειραματικής ρύθμισης. ( α ) Δέσμες ηλεκτρονίων που εγχέονται στο wiggler που τοποθετούνται σε οπτική κοιλότητα εκπέμπουν συνεκτικούς παλμούς THz, οι οποίοι εστιάζονται στο δείγμα ErFeO 3 . Στη συνέχεια, η αλλαγή του σχήματος τομέα απεικονίζεται από την περιστροφή Faraday λέιζερ He-Ne συνεχούς κύματος με CCD. ( β ) Φάσμα των παλμών THz-FEL που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη. ( γ ) Τυπική εικόνα της δομής του μαγνητικού τομέα.