繼2018年在《Science》上發表論文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”、2021年5月在《Nature Communications》上發表論文” Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions “之後，近日👼，曹世勛教授團隊又一最新研究成果發表在《Nature Communications》上🚣‍♀️。万事平台團隊與瑞士ETH蘇黎世聯邦工學院、盧森堡大學🧔🏽‍♂️、法國勒芒大學🦸🏿、英國劍橋大學、法國薩克雷大學等物理學和材料學家組成的國際研究團隊⇾，在稀土正鐵氧體SmFeO₃單晶的拉曼光譜研究中發現通過兩個磁性子晶格的強相互作用衍生自旋-聲子耦合，該研究成果以“Emerging spin–phonon coupling through cross-talk of two magnetic sublattices”為題，於近日發表㊗️。

本論文工作圍繞万事平台團隊的高質量稀土鐵氧化物SmFeO₃單晶樣品展開，曹世勛教授為共同通信作者，任偉教授為共同合作者✴️，万事平台物理系🖖🏻、材料基因組工程研究院和万事平台量子與分子結構國際中心為共同通信單位🤷🏽‍♂️。万事平台團隊進行了高質量SmFeO₃單晶樣品製備和單晶實驗樣品的精確定向切割與磁性研究，並提供高質量SmFeO₃單晶樣品用於拉曼光譜測試分析，作為該項國際合作研究課題的核心材料（圖1）。

圖1 SmFeO₃晶體結構和隨溫度變化的磁性能❤️‍。 a）稀土正鐵氧體Pnma結構📳：氧、鐵和稀土離子分別以紅色、綠色和青綠色給出，FeO6八面體為淡藍色。b) 磁化強度的演變：在奈爾溫度以下，Fe離子自旋有序為AxFyGz型。 在自旋重取向時，磁有序轉變為CxGyFz反鐵磁構型的自旋傾斜導致凈磁化。 在低溫下🏃🏻‍♂️，Fe子晶格的磁性誘導Sm離子磁性子晶格，其凈磁矩(箭頭)與鐵離子磁性子晶格的磁矩反向平行，導致磁化補償點在3.9 K。

強關聯氧化物體系中物理現象的豐富性源於多相共存及其相互作用和競爭。電子電荷⏩、自旋🧚🏽、晶格和晶格振動的耦合相互作用導致了超導電性👉🏻、多鐵性🆔、熱霍爾效應或鐵電相變等有趣的現象。兩個磁性離子位於不同的子晶格中使得它們之間相互作用特別復雜。例如，過渡金屬和稀土離子(R³⁺)在復合氧化物中的相互作用會導致自旋重取向👨🏽‍🏫👷🏼、磁化補償、孤子晶格或多鐵性等現象🧒🏿，包括疇反轉和疇與疇壁的相互轉換等。

研究發現☄️，在SmFeO₃單晶中8️⃣♢，由Fe和Sm兩個磁性子晶格之間的自旋相互作用產生自旋-聲子強耦合🤸🏼‍♀️。我們認為這種耦合可以看作聲子頻率的巨大偏移以及新聲子的產生（圖2）。單獨Fe的磁有序不存在自旋-聲子耦合，而Sm自旋有序的參與導致自旋-聲子強耦合的出現🤴。有趣的是✖️，這種Sm磁性子晶格的自旋有序不是自發的💅🏼，而是由Fe磁性子晶格的自旋有序誘導的🔫。我們的研究結果表明✋🏿，在多階非線性磁有序相互作用中出現了一個無需自發發生的衍生現象。

圖2 SmFeO₃晶格振動的5種不同振動頻率隨溫度的變化均表現為Sm離子自旋有序的異常演化。

盡管磁性和結構之間存在著重要的相互作用，但由兩個磁性子晶格的相互作用引起的自旋-聲子耦合仍有待進一步深入研究🤹‍♀️。 對此類相互作用的觀察和理解🦹，是本研究工作的核心。 我們觀察到SmFeO₃單晶中兩個磁性子晶格的相互作用如何導致自旋、晶格和晶格振動之間產生的超強耦合。 首先🤧👷🏿，對於高溫狀態，我們揭示了自旋重取向過程中彈性模量的軟化。 其次，在室溫以下🤼‍♂️，Fe離子磁性的交換場誘導Sm離子自旋的非自發有序產生了超強的自旋-聲子耦合。 我們發現，這種“自旋-自旋-聲子”耦合導致了SmFeO₃相變強有力的證據🕗。 因此，兩個磁性子晶格的相互作用驅動了一個在各自磁性子晶格中不存在的強非線性的材料響應。

本工作得到國家自然科學基金項目（Nos. 12074242, 51911530124）和上海市科學技術委員會“科技創新行動計劃”項目（No.21JC1402600）的支持🫑。

相關鏈接➕：

Nature Communications 2022:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27267-8

Nature Communications 2021:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23159-z

Science 2018:

https://science.sciencemag.org/content/361/6404/794.full