Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet

凝聚态物理 反铁磁性 物理 互易晶格 超短脉冲 光学 衍射 激光器
作者
Alfred Zong,Qi Zhang,Faran Zhou,Yifan Su,Kyle Hwangbo,Xiaozhe Shen,Qianni Jiang,Haihua Liu,Thomas E. Gage,Donald A. Walko,M. Kozina,Duan Luo,Alexander H. Reid,Jie Yang,Suji Park,Saul H. Lapidus,Jiun‐Haw Chu,Ilke Arslan,Xijie Wang,Di Xiao,Xiaodong Xu,Nuh Gedik,Haidan Wen
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:620 (7976): 988-993 被引量:15
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06279-y
摘要

Understanding how microscopic spin configuration gives rise to exotic properties at the macroscopic length scale has long been pursued in magnetic materials1-5. One seminal example is the Einstein-de Haas effect in ferromagnets1,6,7, in which angular momentum of spins can be converted into mechanical rotation of an entire object. However, for antiferromagnets without net magnetic moment, how spin ordering couples to macroscopic movement remains elusive. Here we observed a seesaw-like rotation of reciprocal lattice peaks of an antiferromagnetic nanolayer film, whose gigahertz structural resonance exhibits more than an order-of-magnitude amplification after cooling below the Néel temperature. Using a suite of ultrafast diffraction and microscopy techniques, we directly visualize this spin-driven rotation in reciprocal space at the nanoscale. This motion corresponds to interlayer shear in real space, in which individual micro-patches of the film behave as coherent oscillators that are phase-locked and shear along the same in-plane axis. Using time-resolved optical polarimetry, we further show that the enhanced mechanical response strongly correlates with ultrafast demagnetization, which releases elastic energy stored in local strain gradients to drive the oscillators. Our work not only offers the first microscopic view of spin-mediated mechanical motion of an antiferromagnet but it also identifies a new route towards realizing high-frequency resonators8,9 up to the millimetre band, so the capability of controlling magnetic states on the ultrafast timescale10-13 can be readily transferred to engineering the mechanical properties of nanodevices.
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