太厉害了,这位大牛2023年发表3篇Nature+1篇Science!

学术   2024-11-04 17:37   浙江  

00

前言


许晓栋

许晓栋,华盛顿大学Boeing冠名杰出教授,本科毕业于中国科学技术大学(2002),博士毕业于密歇根大学安娜堡分校(2008年)。研究兴趣为通过纳米级器件设计、光谱学、电传输和扫描光电流测试来了解新型固态纳米结构的光学、电子和量子特性。感兴趣的领域包括:石墨烯光电子学;拓扑绝缘体量子光电子学;石墨烯蜂窝界面;原子级薄二维半导体。迄今为止,已在Nature、Science上发表论文20余篇。2020年,许晓栋教授荣幸当选美国物理学会会士。


更多介绍:

https://mse.washington.edu/facultyfinder/xiaodong-xu


2023年,许晓栋教授以通讯作者身份发表3篇Nature、1篇Science,效率惊人!

  • 2023年6月22日,许晓栋教授与香港大学姚望教授团队合作发表Science,介绍了利用栅极开关控制R堆叠MoTe2莫尔双层中电子多体哈密顿量的蜂窝和三角形晶格几何结构,从而实现可切换的磁交换相互作用。该研究成果对未来拓扑结构晶体的工程化具有重要意义,证明了R堆叠MoTe2莫尔在实验室中的潜在应用价值。


  • 2023年6月14日,许晓栋教授发表Nature,揭示了双层转角MoTe2中分数量子反常霍尔(FQAH)态的实验特征。

  • 2023年8月2日,许晓栋教授与麻省理工Nuh Gedik、美国阿贡国家实验室Haidan Wen合作发表Nature,介绍了反铁磁性纳米层薄膜倒易晶格峰的跷跷板式旋转,其千兆赫兹结构共振在冷却到Néel温度以下后呈现出超过一个数量级的放大效果。利用一套超快衍射和显微镜技术,可以直接观察到这种自旋驱动的旋转在纳米尺度上的倒易空间。

  • 2023年8月17日,许晓栋教授再发Nature,介绍了其在观测分数量子反常霍尔效应方面的研究工作!


下面我们对8月2日发表的这篇Nature进行详细介绍。

▲第一作者:Alfred Zong, Qi Zhang, Faran Zhou

通讯作者:Xiaodong Xu,Nuh Gedik,Haidan Wen

通讯单位:美国华盛顿大学,美国麻省理工学院,美国阿贡国家实验室

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06279-y


01

研究背景


长期以来,人们一直致力于研究磁性材料的微观自旋构型如何在宏观长度尺度上产生奇异特性。其中一个开创性的例子是铁磁体中的爱因斯坦-德-哈斯效应,其中自旋的角动量可转化为整个物体的机械旋转。然而,对于没有净磁矩的反铁磁体,自旋有序如何与宏观运动相耦合仍然是个谜。


02

研究问题


本研究观察到了反铁磁性纳米层薄膜倒易晶格峰的跷跷板式旋转,其千兆赫兹结构共振在冷却到Néel温度以下后呈现出超过一个数量级的放大效果。利用一套超快衍射和显微镜技术,可以直接观察到这种自旋驱动的旋转在纳米尺度上的倒易空间。这种运动与实际空间中的层间剪切相对应,其中薄膜的单个微斑表现为相干振荡器,这些振荡器相位锁定并沿同一平面轴剪切。利用时间分辨光学偏振测量法,本研究进一步表明,增强的机械响应与超快退磁密切相关,后者释放了存储在局部应变梯度中的弹性能量,从而驱动振荡器。本研究不仅首次从微观角度展示了自旋介导的反铁磁体机械运动,而且还为实现高达毫米波段的高频谐振器指明了一条新的途径,由此延伸的在超快时间尺度上控制磁态的能力可以很容易地应用到纳米器件的机械特性工程中。
 

▲图1|飞秒激光脉冲诱导的倒易点阵相干跷跷板振荡


要点:
1.本研究选择的材料是 FePS3。它属于范德华反铁磁体 MPX3(M = Mn、Fe、Co、Ni;X = S、Se)家族,由于电子、激子、晶格和自旋之间的多向相互作用,它们的光学特性引起了人们的浓厚兴趣。在 FePS3 中,Fe 上的局部磁矩在低于Néel温度(TN ≈ 117 K)的每个蜂窝平面上形成交替的之字形伊辛自旋链。自旋顺序与单斜晶格紧密耦合,这一点从自旋链方向与 a 轴的对齐可以看出(图 1a)。这种耦合还表现为 TN 处单位晶胞尺寸的不连续性,以及反铁磁态中声子和磁子之间的强杂化。这些特性提供了一个令人兴奋的前景,即自旋阶的扰动可以用来改变 FePS3 晶体的宏观运动。
2.图 1d 显示了一个结晶样品的例子,在该样品中,16 纳米厚的薄片被安装在 100 × 100 μm2 的氮化硅窗口上。从光学图像(图 1d)或透射电子显微镜照片中可以看出,这种尺寸的准独立薄膜不可避免地会出现微裂缝,但其衍射图样显示出高度的单晶性。图 1d 标出了六个最亮的衍射峰,它们都属于垂直于蜂窝平面的区域轴上的零阶 Laue 区域。在衍射图像中,弗里德尔对--(H K L)和(H K L )--之间的强度不均匀是由于电子入射偏离表面法线造成的。在反铁磁态的上隙光激发之后,六个峰的强度变化如图 1c 所示。
3.在皮秒时间尺度上,Debye-Waller 效应对衍射强度的共同贡献是导致瞬时峰值抑制。因此,图 1c 中观察到的六个峰中三个峰的强度增强表明存在不同的机制。受弗里德尔对之间的拮抗演变的启发,本研究将这种动态归因于相对于埃瓦尔德球的互易晶格峰的振荡倾斜,从而导致弗里德尔对的FePS3条件发生相反的变化(图 1e)。由于旋转轴(如图 1d 中虚线所示)近似平行于 b* 轴,与其他四个峰相比,(0 ±60)的强度高原和振荡幅度要小得多。
为了跟踪不同斑块的局部运动,本研究使用超快电子显微镜来观察光诱导在真实空间中的变化。图 1f 显示了用于测量的典型样品的电子显微镜照片,该样品是悬浮在铜网格上的独立薄膜。由于样品的固有曲率,只有薄膜的某些区域满足Bragg条件,在明视场图像中显示为一对暗轮廓。随着样品平面的倾斜,等值线的位置也随之移动,从而为薄膜不同部分的相应FePS3峰提供了倾斜角和倾斜轴的灵敏校准。
 

▲图2|反铁磁态剪切振荡的巨幅增强


要点:
1.与薄膜中因光热应力而经常激发的层间呼吸声子不同,层间剪切声子并不常见,而且必须打破轴对称,尤其是,剪切声子携带角动量,因此在超快退磁过程中是一种有效的角动量消耗体。为了确定 FePS3 的反铁磁性与剪切振荡之间的耦合关系,本研究跟踪了千赫兹共振在 TN 间的变化情况。图 2a 显示了一个代表性衍射峰(3 3 1)的强度轨迹,当温度升至 TN 以上时,该衍射峰的高电平(p0)和振荡幅度都明显减小(图 2b,d)。千赫兹模式几乎完全消失的现象也可以在实际空间中看到。
2.本研究在图 2e-g 中绘制了电子显微照片中单个像素强度振荡的傅立叶变换振幅。与 TN 以上振荡等值线相关的对比度消失表明剪切运动明显受到抑制。为了量化磁序形成时振荡的增强,本研究估算了每个温度下一个跷跷板周期内倒易点阵的角度变化(Δθ)(图 2c)。当 FePS3 转变为反铁磁态时,Δθ 增强了 30 多倍。在 TN 以上,Δθ 不为零,但基本上与温度无关。
3.千赫兹振荡器在整个 TN 范围内的不同行为进一步证明了本研究的通量依赖性研究(图 2h-j)。在 TN 以上,振荡幅度与通量成线性比例(图 2h)。低于 TN 时,振幅被放大,更重要的是,在 79 K 时,振幅在 0.4 mJ cm-2 左右达到饱和(图 2i),在 30 K 时,振幅在 0.5 mJ cm-2 左右达到饱和(图 2j)。这种对比表明了反铁磁态超高速扰动的上限,即“之”字形阶完全光诱导熔化。
 

▲图3|随温度变化的“之”字形超快消磁曲线


要点:
1.为了证明退磁与机械响应增强之间的联系,本研究进行了时间分辨光学反射实验,重点关注探测光脉冲的偏振旋转变化。在平衡状态下,如果入射偏振与 a 轴成 45°,则由之字形阶引起的线性二色性会导致反射偏振发生旋转(φ)。与温度相关的旋转 φ 紧随反铁磁性的出现(图 3a),符合 φ 与磁序参数的平方成比例的预期。
2.光激发会导致φ的瞬时减小,光诱导的最大变化(|Δφ|max)提供了磁抑制的定量测量。当温度降低到 TN 以下时,|Δφ|max 首先在 85 K 附近达到峰值,然后恢复到较低值(图 3c),这表明在接近转变温度时,光激发的磁感应强度会增加。
3.使用低于图 2i,j 中发现的饱和阈值的入射通量,本研究在跷跷板倾斜角 Δθ 中再现了类似的非单调曲线(图 3d)。剪切振荡和超快退磁之间在温度趋势上的极佳一致性牢固确立了磁弹性耦合是放大机械响应的起源。
 

▲图4|放大的相干剪切振荡背后的磁弹性耦合微观视图


要点:
1.瞬态退磁是如何导致不同薄膜斑块(无论其大小和边界条件如何)出现相位锁定的不寻常剪切振荡的,这一点仍有待了解。为此,本研究进行了高分辨率同步辐射粉末 X 射线衍射,并研究了与自旋有序相关的特定晶格特征。如图 4a 所示,去磁后发现了两个微妙的变化,这与之前的结构特征不符:单斜角 β 减小和微应变释放。第一种变化会使薄膜中的所有斑块沿 a 轴产生协调的剪切运动。第二种变化降低了反铁磁态的局部应变梯度,将储存的弹性能量转化为自旋无序化后的机械运动动力。这两种变化解释了千赫兹振荡器的轴对齐和振幅放大,为自旋耦合运动提供了微观视角。这项平衡研究的一个关键预测是,光激发脱离平衡后,β会立即降低。时间分辨 X 射线衍射验证了这种情况,它通过测量 (0 0 2) 和 (2 0 2) 峰的相对移动直接跟踪 β 的变化(图 4b)。值得注意的是,最初光诱导的 β 下降(图 4c)与振荡跷跷板倾斜度 Δθ(图 2c 和 3d)的温度变化趋势在数量上是一致的,都在 TN 正下方显示出约 0.1°的最大变化。


03

结语


本研究中部署的四个时间分辨探针的协同作用提供了超薄薄膜中独特的自旋介导剪切响应的前所未有的细节,这种剪切响应发生在反铁磁体退磁后的几皮秒内,从而扩展了在没有宏观磁矩平衡的情况下自旋-机械耦合的概念。本研究提出,应用磁场或外部应变可以微调振荡频率。反过来,千赫兹运动的长相干性可用于以皮秒级的时间分辨率感应局部磁场或应变场。这些发现预示着van der Waals材料工程的一个新领域,即定制激光脉冲可用于通过自旋自由度控制快速机械运动,从而极大地丰富了设计功能性纳米机械装置的可能性。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06279-y

1. 仪器表征基础知识汇总
2. SCI论文写作专题汇总
3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总
4. 理论化学基础知识汇总
5. 催化板块汇总
6. 电化学-电池相关内容汇总贴
7. 研之成理名师志汇总
更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。

研之成理
夯实基础,让基础成就辉煌;传递思想,让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流,旨在创建属于大家的科研乐园!主要内容包括文献赏析,资料分享,科研总结,论文写作,软件使用等。科研路漫漫,我们会一路陪伴你!
 最新文章