强磁场科学中心发现二维范德瓦尔斯磁性材料中超长自旋弛豫现象

　　 近日，中科院合肥研究院强磁场中心盛志高研究团队与合作者依托稳态强磁场实验装置，采用强磁场下的超快时间分辨磁光探测技术，发现了二维范德瓦尔斯磁性材料中的超长自旋弛豫行为，明确了材料晶格维度和热扩散各向异性在二维磁性材料的自旋动力学过程中的关键作用，相关研究成果发表在2D Materials期刊上。 

　　2017年，科学家在二维范德瓦尔斯(vdW)材料中发现了长程磁有序可以在单原子层厚度维持稳定存在。这一重大发现为二维vdW自旋电子器件的实现提供了理想的材料平台。为了构建新型的高速自旋电子学器件，vdW磁性体系的超快自旋动力学行为研究必不可少。 

　　瞄准二维磁性材料自旋动力学这一前沿方向，合肥物质科学研究院强磁场科学中心与该院固体物理研究所、安徽大学组成联合攻关团队。依托稳态强磁场大科学装置超导磁体SM1及超快光学系统，利用强磁场下的超快磁光技术(TR-MOKE)，研究团队对二维vdW半导体Cr₂Ge₂Te₆、二维vdW金属Fe₃GeTe₂以及三维金属Cr₃Te₄在强磁场下的光诱导自旋动力学过程进行了详尽地对比性研究。研究团队发现，二维vdW磁性材料的再生磁化速度明显慢于三维材料。更为有趣且重要的是，团队在国际上首次发现Cr₂Ge₂Te₆具有超长的自旋弛豫行为，即在超快退磁后3500 ps (1ps=10^-12s)的时间尺度内磁性无明显恢复。基于模型分析与实验研究结果，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起关键作用。 

　　这一超快动力学研究结果不仅有效拓展了二维磁性的研究领域，而且进一步揭示了二维vdW磁性的维度特异性，为其在高频器件领域的应用提供了研究基础。 

　　强磁场科学中心孙韬博士、周春副研究员为论文的共同第一作者，强磁场科学中心盛志高研究员、安徽大学肖瑞春副教授为论文的通讯作者，本实验得到了固体物理研究所罗轩研究员的大力支持，所使用的高质量样品由蒋中柱博士提供，计算模拟由强磁场科学中心李晓明博士完成。合肥研究院强磁场科学中心为第一作者和通讯作者单位。该工作获得了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中科院前沿科学重点研究项目、强磁场安徽省实验室方向基金和合肥大科学中心高端用户培育基金的支持。

　　文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac2ab3

　　(a)：三个样品的TR-MOKE信号。(b)：Cr₂Ge₂Te₆在不同时间延迟下的磁光克尔磁滞曲线。(c)：三种模型在激光激发后的自旋弛豫示意图(其中，κ表示热导率，红色区域表示自旋无序，蓝色区域表示自旋有序)。