南京大学在光调控本征二维铁磁性方面取得重要进展

2021-01-21

我校电子科学与工程学院徐永兵教授团队在光调控本征二维铁磁性方面取得重大突破，首次利用飞秒激光在二维铁磁体（Fe3GeTe2）中实现了室温铁磁性及对磁矩和磁各向异性的光场调控。这一成果首次在国际上实现了针对本征二维铁磁性的光场调控，并进一步揭示实现磁性调控的物理机制为光生载流子诱导的电子结构的变化，开辟了光对自旋调控的新方向。

近年来，在一些层间范德华力结合的磁性材料中，其磁性被发现可以在原子层级厚度仍然得到保留。这一发首次在实验上证实了本征二维铁磁体的存在，使得二维材料构建电子异质结构器件的独特优势能够应用到自旋电子学中，极大地促进了电子自旋在存储、通讯以及量子技术等方面的应用。近年来针对本征二维铁磁体的研究主要集中在电学（如测试电子隧穿电阻比值及电压调控居里温度）以及化学组分调控等方式。但是如何利用光-物质相互作用调控本征二维铁磁性仍然未被关注以及研究。徐永兵教授团队选取了具有巡游铁磁性且居里温度较高(约200 K)的Fe3GeTe2为研究对象，利用基于飞秒脉冲激光的磁光克尔技术，同时实现室温磁性(300 K)的产生和检测。该实验证明，通过改变飞秒激光的强度，不同原子层级厚度的Fe3GeTe2磁化强度以及磁各向异性均能够被连续改变（如图），首次证明飞秒脉冲激光能够有效调控本征二维铁磁性。同时，通过与连续光激发Fe3GeTe2的结果对照，该工作表明光生载流子对该材料中的光调控磁性发挥着重要的作用，为理解二维铁磁性的基本物理机制提供了新的实验证据。

图. 不同厚度的Fe3GeTe2饱和磁化强度和矫顽力在室温下同飞秒激光激发强度的依赖关系。

该成果以“Light-Tunable Ferromagnetism in Atomically Thin Fe3GeTe2 Driven by Femtosecond Laser Pulse”为题于2020年12月31日在物理评论快报《Physical Review Letters》上在线发表[ Phys. Rev. Lett. 125, 267205 (2020)]。

南京大学博士生刘波为论文第一作者，南京大学徐永兵教授、阮学忠高工以及复旦大学修发贤教授为论文的共同通讯作者。南京大学为论文第一单位，该工作得到江苏省光电信息功能材料重点实验室、江苏固态照明与节能电子学协同中心、南京大学-约克大学联合中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器项目、江苏省前沿探索基金的支持。此外，徐永兵教授团队最近在二维自旋电子学方面取得了系列重要进展，例如：首次观测到磁性拓扑绝缘体中表面自旋有序态可独立存在，以“Experimental Observation of Dual Magnetic States in Topological Insulators”为题，发表在 Science Advances（2019; 5 : eaav2088）；以团队及其合作单位在二维自旋电子学方面的工作为主体，应国际著名出版社Elsevier邀请，发表专著（Spintronic 2D Materials: Fundamentals and Applications, ISBN: 9780081021545, 2020.）。

（来源：南京大学）