用 1/10 万亿分之一秒的光控制多铁晶体的偏振 - 铁电和磁性存储器件可在室温下超高速运行 -

东京理科大学/筑波大学/东北大学/名古屋大学/V体育

点

• 〇四BiFeO₃晶体薄膜，时间宽度100 秒（10万亿1秒)的光脉冲激发，我们证明即使在室温下，也可以在脉冲宽度内控制偏振的大小。
• 〇〇使用最新的时间分辨结构测量设备，我们确认光激发产生新的晶格振动（声子），并且是偏振变化的原因。
• 〇​理论上，认为光激发引起的晶格振动会改变极化和磁性。

摘要

东京理科V体育 (科学东京)理学院项目助理教授Ko Takubo（现为早稻田大学客座研究员）和化学系教授Shinya Koshihara；研究学院助理教授 Kei Shigematsu 和 Masaki Higashi 教授；筑波大学数学与材料系副教授 Masaki Haneda；东北大学。研究团队包括理学研究生院的小野敦助理教授、名古屋大学未来材料与系统研究所的桑原正人教授、V体育生命与应用化学系的浅坂彻副教授。多铁性物质（术语1)BiFeO₃的单晶薄膜，时间宽度100 秒（10万亿1秒)光脉冲（术语2) 和电介质极化（术语3)的幅度。另外，使用电子束脉冲的最新结构测量装置（术语4)的观测结果和理论分析来看，光注入的激发电子创造了新的环境晶格振动（声子：晶体中的波）（术语5）并改变了极化。
　为了推进各种信息处理，使用介电极化和磁性的电子记录设备需要更快。为此100 秒内发生变化的物质。作为这一问题的解决方案，小野助理教授提出了由于电子和声子的强耦合（修饰）态而超高速控制极化和自旋态（磁性的起源）的理论想法。在这项研究中，穿着状态是在室温下通过光激发产生的。BiFeO₃它实际上出现在晶体薄膜中，证明可以超高速控制极化和磁性。铁电/磁存储器件100 秒秒的超高速控制，甚至光信息和电子信息的超高速直接转换将成为可能。
　这个研究结果是12月4日期“通讯材料
光激发多铁晶体 (BiFeO₃) 中产生的激发态电子（球体）使周围的晶体产生波纹（对应于新声子的生成），从而创建电子和声子结合的修饰状态。修饰状态会以超高速改变铁电性和磁性，这是这种晶体的特性，也是存储器件的基础。

背景

为了推进各种类型的信息处理，对使用介电极化和磁性的更快电子记录设备的需求不断增长。为了提高器件速度，需要快速改变晶体结构，特别是100 秒（10万亿1秒）内改变其结构的材料。解决这个问题的一种方法是光学激发多铁性材料并将电子局部注入其中。该研究小组的小野助理教授（东北V体育）做出了理论预测，当电子注入时，周围的晶格会立即发生变化，在电子和晶体振动（声子）之间产生强耦合（修饰）状态。如果小野助理教授的预测成真，就有可能以超高速改变介电极化和自旋状态（磁性的起源）。在这项研究中，我们证明了预测的穿着状态可以通过光激发转化为室温多铁性（BiFeO₃)我们在晶体薄膜中实现了这一点，并证明了超高速偏振控制是可能的。
　

研究结果

典型的多铁性材料：BiFeO₃晶体薄膜中超快偏振操作的确认
　图1左侧是研究中使用的典型多铁性材料BiFeO₃显示晶体薄膜的结构。图中绿线所示的氧气8面罩内部铁存在（铁）原子。这个铁但是8面罩中心的变形（图中）Q_FE中的蓝色箭头表示位移方向）与极化的发生密切相关。极化强度由二次谐波产生决定 (SHG) (上海光强度）来观察。还有2一8面罩相对旋转造成的扭曲（图中）Q_AFD红色箭头）是铁它与原子之间磁相互作用的大小密切相关，并控制磁性。

图 1 左：研究中使用的典型多铁性材料：BiFeO₃晶体薄膜的结构。光能31 eV的脉冲光激发铁原子和氧原子之间的电荷转移。脉冲激光 CT 激发 (31 eV)）。
右：大约100 秒（01 ps：ps是10^-12秒)上海光强度（顶部）和红外波长区域吸收（底部）的时间变化。顶部 (SHG强度)：蓝色为激发光强度(影响力)26毫焦/厘米²然后是红色52毫焦/厘米²底部（红外波长吸收）：激发光强度（流利)64毫焦/厘米²，光能(能源）06 eV（红色）和05 eV观察到的结果（黑色）。

　对于这种物质100 秒的脉冲光照射时，在照射后的脉冲宽度内极快上海光强度，即偏振的大小，减小然后大约300 秒减少量为最大变化30减少到大约 %，然后再增加数万fs（图1右上角）。在偏振降低的同时，红外波长区域的吸收增加（图1右下），表明偏振的变化与光激发态的注入密切相关。因此，通过光激发100 秒说10万亿1已证实可以在几秒钟内控制偏振的大小。

BiFeO₃与晶体薄膜中超快极化操作相关的结构变化
　虽然已经清楚通过这种方式可以实现超高速偏振控制，但重要的是要知道此时晶体结构发生了什么样的变化，而关键是与理论模型相比观察结构变化。因此，这个研究小组刚刚开发了一种脉冲宽度75 秒电子束（用于脉冲电子束生成和样品光学激发的激光束脉冲宽度是35 秒)。观察结果如图2所示。观察结果表明，光照射后各指标的衍射斑强度立即显着降低。另外，在那之后300 秒（33 太赫兹:T10¹²)周期性振荡现象。由于这种频率的声子在光激发之前不存在，我们发现新的声子是通过光激发态的注入产生的。

图2 时间宽度35 秒₃激发后晶体薄膜结构的时间变化。4显示了与两个指数对应的衍射斑峰值强度的时间变化（对应的指数显示在每个图的右上方）。测量时间范围75 秒的电子衍射的时间分辨结构观察装置。

BiFeO₃晶体薄膜超快极化运行机理的理论预测与研究
　正如背景中提到的，偏振的大小100 秒内磁性控制问题的一种方法，该研究小组的小野助理教授（东北V体育）从理论上提出了通过多铁性材料中电子和声子出现的强耦合（修饰）状态超高速控制极化和自旋态（磁性的起源）的可能性。根据小野助理教授的理论，BiFeO₃就晶体而言，它甚至在光激发之前就存在2一个声子 (Q_FE和Q_AFD是位移方向），光激发注入的高能量光激发电子产生强键，声子在电子周围统一，产生新的声子，并且认为声子引起的应变导致极化和磁性同时改变。图 3 显示了对此的概述。理论上还预测光激发电子的注入将增加红外区域的光学吸收。
　这一实验结果几乎与小野助理教授提出的模型的预测相符，得出的结论是，极化的超快变化是通过光生电子和声子强耦合（统一）（着装态）的新状态的出现来实现的。

图 3 理论模型示意图（由小野助理教授在本研究中提出），其中光注入激发电子周围的晶格由于电子和声子之间的耦合而发生显着变化，从而导致极化和磁性的变化。图中蓝色部分是决定光激发前晶格振动频率的势能。红色对应于光激发后的颜色。光激发后（红色），势面变得平缓，声子振动周期变为~300 秒

社会影响

从理论上预测并通过实验证实的穿着状态下的晶格振动是Q_FE和Q_AFD的畸变，因此它不仅改变了实际观察到的极化变化，而且改变了磁性。因此，未来铁电/磁存储器件将30 秒周期（频率）33 太赫兹)范围内进行写入和重写。预计光信息与电、磁信息之间的相互转换将以相似的速度成为可能，这有望有助于整个电子设备的超高速化。

未来发展

为了验证这次报告的大极化变化的机制，一个基本的科学挑战是使用超快磁光测量来验证磁变化。此外，为了验证小野助理教授提出的模型，需要对光激发电子周围晶格的振动（波动）的时间特性进行详细研究，我们将继续进行这项基础研究。作为实际应用的挑战，该研究团队使用了 BiFeO₃单晶薄膜是质量极高的样品，但需要考虑各种问题，例如易于处理、制造速度、偏振尺寸和光激发阻力。目前，已经报道了各种多铁性材料，下一个挑战是通过扩展材料系统来提高其性能并将其纳入实际设备中。我们的目标是通过材料科学和光学科学领域的合作解决这些问题，为电子设备的超高速发展做出贡献。

附加说明

本研究中电子衍射观察的样品制备是在东京理科V体育核心设施中心的支持下进行的。这项研究得到了日本学术振兴会科学研究资助金的支持(作业编号 JP18H05208，JP20K14394、JP21K03461、JP23K13052）的支持下进行的。

术语解释

1. 多铁性物质：在永磁体内部，构成晶体的原子自旋自发地沿特定方向取向并变得有序。此外，在铁电物质中，（电）极化沿特定方向取向并且是有序的。具有特定方向的多个秩序彼此相关地共存的材料。通过施加电场，会发生意想不到的现象，例如改变磁体的方向，因此有望具有磁电能量转换等应用。
2. 光脉冲：发出的光时间很短，就像相机闪光灯一样。
3. 极化：固体中正电荷和负电荷的空间分离导致反演对称性被破坏的状态。通过保持其大小和方向并响应外部电场进行切换，它被用作记录信息的存储器。
4. 使用电子束脉冲的最新结构测量装置：电子具有波动性，因此当电子撞击晶体时，晶体中原子散射的波会产生干涉，从而观察到衍射图像。通过分析该衍射图像，可以获得晶体结构的信息。类似于频闪摄影，通过使用与激发样品的脉冲光时间同步的电子束脉冲来测量由于时刻的光激发而引起的结构变化的装置。
5. 晶格振动（声子：晶体中的波）：通过规则排列和键合原子来能量稳定晶格。当施加能量且结构与稳定结构发生轻微偏移时，稳定结构周围发生的结构变化的振动。

论文信息

• 已出版的杂志：通讯材料
  论文标题：通过与光载流子耦合的结构修饰对多铁性 BiFeO3 中铁电性的光控制
  作者：Kou Takubo、Atsushi Ono、Shunsuke Ueno、Samiran Banu、hongwu Yu、Kaito En-ya、Ryota Nishimori、Makoto Kuwahara、Toru Asaka、Kei Maeda、Daiki Ono、Keita Ozawa、Takuma Itoh、Kei Shigematsu、Masaki Azuma、Tadahiko Ishikawa、Yoichi Okimoto、Masaki哈达、越原慎也
  DOI：101038/s43246-024-00698-8
  网址：

研究员简介

• 高保保
• 东京理科V体育理学院特聘助理教授（现早稻田V体育）
• 研究领域：光电子/红外到X射线光谱、电子/X射线衍射

• 越原慎也小原慎也
• 东京理科V体育理学院教授
• 研究领域：半导体光学特性（特别是光致相变）、超短脉冲激光应用测量
  
  
• 重松圭重松圭
• 东京理科V体育研究学院助理教授
• 研究领域：固态化学、薄膜合成

• 东正树东正树
• 东京理科V体育研究所，教授
• 研究领域：固态化学

• 羽田正树羽田正树
• 筑波V体育数学与材料系副教授
• 研究领域：时间分辨电子衍射，
• 结构动力学测量，超快现象

• 小野敦志小野敦志
• 东北V体育理学研究科助理教授
• 研究领域：凝聚态理论

• 桑原诚桑原诚
• 名古屋V体育未来材料与系统研究所教授
• 研究领域：电子显微镜、自旋极化电子源

• 浅坂彻浅坂彻
• V体育生命与应用化学系副教授
• 研究领域：无机结构性质

联系信息

研究相关

• 东京理科V体育理学院化学系教授
• 越原慎也
• 电子邮件：Koshiharasaa[at]mtitechacjp
• 电话/传真：03-5734-2449
• 〒152-8551 东京目黑区大冈山2-12-1-H61主楼1F-H118房间号

• V体育生命与应用化学系副教授
• 浅坂彻
• 电子邮件：asakatoru[at]nitechacjp
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• 电子邮件：sci-pr[at]mailscitohokuacjp
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• 名古屋V体育总务部公共关系课
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