Photocontrol of ferroelectricity in multiferroic BiFeO3 via structural modification coupled with photocarrier

铁电性 多铁性 凝聚态物理 超短脉冲 材料科学 磁性 偶极子 声子 电场 光电子学 光学 激光器 化学 物理 电介质 有机化学 量子力学
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,T. Itoh,Kei Shigematsu,Masaki Azuma,T. Ishikawa,Y. Okimoto,Masaki Hada,Shin‐ya Koshihara
出处
期刊:Communications materials [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1)
标识
DOI:10.1038/s43246-024-00698-8
摘要

Abstract Ultrafast control of ferroelectricity and magnetism by light is essential for future development in multiple functioning devices. Here, we demonstrate that the intense and ultrafast photo-modulation of the electric dipole can be realized by photocarrier injection into a multiferroic BiFeO 3 thin film using optical pump-probe and second harmonic generation measurements. Results of ultrafast electron diffraction with <100 fs time resolution and theoretical study reveal that the localized photocarrier strongly couples with the lattice structure and becomes the origin for the observed sudden change in the electric dipole. In addition, the subsequent structural dynamics involve a strong oscillation with a frequency of ~3.3 THz despite a poor structural symmetry change. Based on a theoretical calculation, this oscillation can be attributed to an unexpectedly softened new phonon mode generated by mixing essential two phonon modes governing the multiferroic (ferroelectric and antiferromagnetic) nature of BiFeO 3 in the ground state due to strong coupling with a localized photocarrier. The comprehensive study shows that injection of the localized photocarrier strongly coupled with the lattice vibration mode can simultaneously realize the ultrafast switching of electric dipoles and magnetic interaction at once, even at room temperature, without modifying the long-range lattice structure.
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