基于超快X射线衍射的铁电/铁磁异质结瞬态结构动力学研究

Multiferroic materials exhibit unusual physical properties such as magnetoelectric coupling effect, which in turn promise new device applications, while femtosecond optical pulses offer a new and ultrafast route to control their magnetoelectric coupling. However, our understanding to the dynamics and mechanism of photo-induced magnetoelectric coupling is still limited. With simultaneous subpicosecond temporal and mili-Angstrom spatial resolutions, table-top ultrafast x-ray diffraction will provide direct evidences on structural dynamics in order to understand the photo-induced magnetoelectric coupling mechanism. Here, we propose to investigate the ultrafast structural dynamics of a ferroelectric/ferromagnet heterostructure after femtosecond laser illumination by ultrafast x-ray diffraction. We plan to measure the demagnetization speed of the ferromagnet layer, the piezoelectric effect of the ferroelectric layer and the interplay between two thin layers. In addition, the influence of the ferromagnet material, temperature and substrate on the speed of the magnetoelectric coupling process will be evaluated experimentally. All these experimental studies may help us to distinguish between strain-mediated and charge-mediated mechanisms in time domain.

磁电耦合效应等物理特性赋予了多铁材料广阔的潜在应用前景。然而，尽管飞秒激光脉冲提供了崭新的磁电调控手段，目前对多铁材料的动力学性质和光致磁电耦合机制的了解仍然有限。桌面型超快X射线衍射同时提供了亚皮秒时间分辨和毫埃量级结构变化解析能力，可为研究光致磁电耦合机制提供直接的结构动力学证据。本项目拟针对铁电/铁磁异质结中的光致磁电响应过程，利用超快X射线衍射直接探测飞秒激光辐照下铁磁层和铁电层的瞬态结构演化。同时，通过测量铁磁层的去磁化速度、异质结界面的能量传递速度、铁电层的压电响应速度等关键因素，分析铁磁层材料、温度、衬底等对光致磁电耦合速度的影响，从而在超快时域上深入理解对应的光致磁电耦合机制。

基于磁电介观畴序构可实现超快、超低功耗的多态存储，是下一代高密度存储的首选方案之一，然而由于缺少超高时间分辨的实验探测手段，其核心的磁电耦合机制还主要停留在理论和模拟阶段。本项目以超快X射线衍射为主，结合飞秒光反射率和飞秒磁光克尔效应等多种超高时间分辨探测手段，首次从时间域上实验观测到光致磁电耦合中铁磁层和铁电层的超快晶格动力学过程，结果表明与传统观点不同，耦合机制不限于应变调控机制，电荷调控机制可能起到决定性作用。为顺利开展上述研究，本项目研制了可应用于超快时间分辨X射线衍射实验的变温样品腔；针对飞秒X射线产额的优化，探索了基于表面等离激元的光与物质相互作用的新机制；从时间域上实验观测到典型强关联电子体系锰氧化物中极化子-极化子相互作用，进一步印证了此前中子散射和主流理论解释，有助于对庞磁阻效应的深入理解；首次在室温下通过光激发锰氧化物产生“隐形态”，并采用多种超快手段分别研究了电子、自旋和晶格动力学过程，理解“隐形态”的形成和演化机制，为产生和控制有应用价值的新物相提供了新路径。综上所述，本项目为区分强关联体系中不同自由度间的耦合过程以及磁电耦合机制提供了崭新的探测手段和研究思路。