От скрытого магнитного порядка в коллинеарном альтермагнетике до рекордных магнитных поляронов в магнитном полупроводнике

Web of Science®
ФТИ в 2000–24 гг.
Статей	25425
Цитируемость
суммарная	326761
на статью	12,9
Индекс Хирша	169
G-индекс	286

Scopus®
ФТИ в 2000–24 гг.
Статей	28655
Цитируемость
суммарная	364193
на статью	12,7
Индекс Хирша	180
G-индекс	304

От скрытого магнитного порядка в коллинеарном альтермагнетике до рекордных магнитных поляронов в магнитном полупроводнике

Сотрудники лаборатории оптических явлений в сегнетоэлектрических и магнитных кристаллах ФТИ им. А.Ф. Иоффе получили новые результаты по двум активно развивающимся направлениям в области магнетизма. Впервые зарегистрирована электроквадрупольная генерация второй оптической гармоники в центросимметричном альтермагнетике CoF₂ и детально описана сверхбыстрая динамика колоссальных магнитных поляронов в ферромагнитном полупроводнике EuO. Работы опубликованы в высокорейтинговых журналах Physical Review Letters, Materials Horizons и Ultrafast Science

Спиновый порядок, который трудно обнаружить: генерация второй оптической гармоники в коллинеарном альтермагнетике

Альтермагнетики — новый класс магнитных материалов, сочетающих свойства антиферромагнетиков и ферромагнетиков. От первых они унаследовали нулевую суммарную намагниченность, а от вторых – расщепление электронных зон по спину, которое, однако, существенно зависит от волнового вектора. Спиновый порядок в этих материалах «скрытый»: его не удаётся обнаружить стандартной магнитометрией и большинством линейно-оптических методов. Поэтому разработка компактного лабораторного метода для прямого детектирования спинового параметра порядка в этих материалах — одна из ключевых задач физики альтермагнетизма.

Модельным объектом для таких исследований стал фторид кобальта CoF₂ — центросимметричный кристалл со структурой типа рутила, который ниже температуры Нееля T_N = 38 K переходит в коллинеарное антиферромагнитное состояние. Его магнитная симметрия описывается точечной магнитной группой 4′/mmm′, а параметром порядка выступает ферротипный магнитный октуполь O^M.

Чтобы зарегистрировать нелинейно-оптический отклик, разрешённый такой симметрией, была выбрана методика генерации второй гармоники (ГВГ) с использованием фемтосекундного лазера. Измерения проводились в двух поляризационных геометриях — параллельной E^ω ∥ E^2ω и перпендикулярной E^ω ⊥ E^2ω, в диапазоне температур 1,6–50 K.

Выше T_N сигнал ГВГ обусловлен чисто кристаллографической симметрией. Ниже T_N поляризационная диаграмма сигнала существенно меняется: В перпендикулярной геометрии четырехлепестковая симметрия сменяется двухлепестковой, тогда как в параллельной геометрии интенсивность ГВГ резко возрастает без существенного изменения формы самой диаграммы. Это указывает на появление дополнительного магнитного вклада, связанного с октупольным параметром порядка.

Поскольку в центросимметричном кристалле CoF₂ электро- и магнитодипольная ГВГ запрещены, наблюдаемый отклик обусловлен электроквадрупольным механизмом. Ниже T_N возникает нелинейная поляризация, определяемая тензором нелинейной восприимчивости c-типа, нечётным относительно операции обращения времени и пропорциональным ферротипному магнитному октуполю O^M:

P^2ω = iε₀ ^cχ⁽³⁾(O^M) : E^ω∇E^ω.

Этот вклад в сигнал ГВГ спадает с температурой как квадрат параметра порядка, что доказывает его магнитное происхождение. Усиление достаточно слабого электроквадрупольного механизма обеспечивается резонансным трехфотонным процессом посредством d–d-переходов иона Co²⁺ при энергиях фотона для фундаментальной волны ħω = 1,05 эВ и волны ГВГ 2ħω = 2,1 эВ.

Работа показывает, что генерация второй гармоники может служить чувствительным «настольным» методом прямого обнаружения ферро-октупольного параметра порядка в коллинеарных альтермагнетиках. Это открывает новые возможности для изучения скрытых спиновых порядков в твёрдых телах и развития альтермагнитной спинтроники.

Источник: P. A. Usachev, R. V. Pisarev, V. V. Pavlov. Nonlinear Optical Probing of Ferroic-Octupolar Order Parameter in Collinear Altermagnet CoF₂. Physical Review Letters, 2026, 137, 126902, https://doi.org/10.1103/h1ht-vsrn.

Сверхбыстрая динамика колоссальных магнитных поляронов

Второе направление работ коллектива связано с ферромагнитным полупроводником EuO из семейства европиевых халькогенидов EuX (X = O, S, Se, Te) — классической модельной системы в магнетизме и магнитооптике. Ниже температуры Кюри T_C = 69,8 K в EuO возникает ферромагнитный порядок, обусловленный локализованными спинами 4f⁷-электронов ионов Eu²⁺ (S = 7/2). Благодаря сильному обмену между 4f- и 5d- подсистемами, оптическое возбуждение электронов проводимости открывает прямой канал для оптического управления магнетизмом.

Фотоиндуцированный электрон, попав в зону проводимости, локализуется вблизи флуктуации намагниченности и за счёт обменного взаимодействия выстраивает вокруг себя спины ионов Eu²⁺, образуя магнитный полярон (МП) — связанное состояние этого электрона и окружающих его локальных спинов.

В работе, опубликованной в Materials Horizons, исследованы эпитаксиальные плёнки EuO, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии в НИЦ «Курчатовский институт». Магнитооптические измерения проводились методом двухцветной накачки–зондирования: импульс накачки с энергией фотонов 2,38 эВ возбуждал электроны из 4f-состояний в 5d-зону, а зондирующий импульс с энергией 1,19 эВ регистрировал фотоиндуцированный эффект Фарадея (ФЭФ).

Было обнаружено, что в узкой области выше T_C в EuO формируются МП с исключительно большим магнитным моментом, достигающим 1,75×10⁵ μ_B. Для сравнения, в EuS — следующем по семейству халькогениде — аналогичные величины составляют около 1,8×10⁴ μ_B, почти на порядок меньше.

Температурная зависимость магнитного момента МП показывает резкий максимум в узкой области вблизи T_C: при 70 K момент максимален, а при 76 K обращается практически в нуль. Это согласуется с теоретической моделью, предсказывающей, что вблизи температуры магнитного перехода восприимчивость максимальна, и захваченный электрон эффективно усиливает ферромагнитный порядок за счет d–f обменного взаимодействия.

Формирование МП в EuO происходит по следующей схеме. Импульс накачки переводит электрон из 4f⁷5d⁰ в состояние 4f⁶5d¹. Первоначально электрон делокализован в зоне проводимости, но затем захватывается в верхнем зеемановском состоянии ферромагнитной флуктуацией, которая вблизи T_C имеет большой размер. Возникает связанное состояние — магнитный полярон с моментом, направленным против магнитного поля. Затем происходит релаксация в нижнее зеемановское состояние, что и наблюдается как инверсия знака ФЭФ.

Обнаружение МП с рекордными моментами и микросекундным временем жизни открывает новые возможности для оптомагнетизма и спинтроники. Возбуждение таких квазичастиц светом позволяет управлять магнитным состоянием твёрдого тела с помощью слабого магнитного поля, что важно для создания энергоэффективных устройств хранения и обработки информации. EuO при этом является технологичным материалом, интегрируемым с кремнием и германием, что делает его перспективной платформой для практического использования.

Источник: P. A. Usachev, V. N. Kats, L. A. Shelukhin, V. V. Pavlov, et al. Magnetic polarons reach a hundred thousand Bohr magnetons. Materials Horizons, 2025, 12 (2), 512–519, https://doi.org/10.1039/d4mh01156b.

Обзор по теме: P. A. Usachev, A. Wu, V. V. Pavlov. Ultrafast Optical Control of Magnetism in Europium Chalcogenides: Phenomena and Mechanisms. Ultrafast Science, 2026, 6:0153, https://doi.org/10.34133/ultrafastscience.0153.

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-12-00348).

Результаты получены в новом лабораторном помещении и на оборудовании, закупленном в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в Российской Федерации» национального проекта «Наука».

От скрытого магнитного порядка в коллинеарном альтермагнетике до рекордных магнитных поляронов в магнитном полупроводнике

Сотрудники лаборатории оптических явлений в сегнетоэлектрических и магнитных кристаллах ФТИ им. А.Ф. Иоффе получили новые результаты по двум активно развивающимся направлениям в области магнетизма. Впервые зарегистрирована электроквадрупольная генерация второй оптической гармоники в центросимметричном альтермагнетике CoF₂ и детально описана сверхбыстрая динамика колоссальных магнитных поляронов в ферромагнитном полупроводнике EuO. Работы опубликованы в высокорейтинговых журналах Physical Review Letters, Materials Horizons и Ultrafast Science

Спиновый порядок, который трудно обнаружить: генерация второй оптической гармоники в коллинеарном альтермагнетике

Альтермагнетики — новый класс магнитных материалов, сочетающих свойства антиферромагнетиков и ферромагнетиков. От первых они унаследовали нулевую суммарную намагниченность, а от вторых – расщепление электронных зон по спину, которое, однако, существенно зависит от волнового вектора. Спиновый порядок в этих материалах «скрытый»: его не удаётся обнаружить стандартной магнитометрией и большинством линейно-оптических методов. Поэтому разработка компактного лабораторного метода для прямого детектирования спинового параметра порядка в этих материалах — одна из ключевых задач физики альтермагнетизма.

Модельным объектом для таких исследований стал фторид кобальта CoF₂ — центросимметричный кристалл со структурой типа рутила, который ниже температуры Нееля T_N = 38 K переходит в коллинеарное антиферромагнитное состояние. Его магнитная симметрия описывается точечной магнитной группой 4′/mmm′, а параметром порядка выступает ферротипный магнитный октуполь O^M.

Чтобы зарегистрировать нелинейно-оптический отклик, разрешённый такой симметрией, была выбрана методика генерации второй гармоники (ГВГ) с использованием фемтосекундного лазера. Измерения проводились в двух поляризационных геометриях — параллельной E^ω ∥ E^2ω и перпендикулярной E^ω ⊥ E^2ω, в диапазоне температур 1,6–50 K.

Выше T_N сигнал ГВГ обусловлен чисто кристаллографической симметрией. Ниже T_N поляризационная диаграмма сигнала существенно меняется: В перпендикулярной геометрии четырехлепестковая симметрия сменяется двухлепестковой, тогда как в параллельной геометрии интенсивность ГВГ резко возрастает без существенного изменения формы самой диаграммы. Это указывает на появление дополнительного магнитного вклада, связанного с октупольным параметром порядка.

Поскольку в центросимметричном кристалле CoF₂ электро- и магнитодипольная ГВГ запрещены, наблюдаемый отклик обусловлен электроквадрупольным механизмом. Ниже T_N возникает нелинейная поляризация, определяемая тензором нелинейной восприимчивости c-типа, нечётным относительно операции обращения времени и пропорциональным ферротипному магнитному октуполю O^M:

P^2ω = iε₀ ^cχ⁽³⁾(O^M) : E^ω∇E^ω.

Этот вклад в сигнал ГВГ спадает с температурой как квадрат параметра порядка, что доказывает его магнитное происхождение. Усиление достаточно слабого электроквадрупольного механизма обеспечивается резонансным трехфотонным процессом посредством d–d-переходов иона Co²⁺ при энергиях фотона для фундаментальной волны ħω = 1,05 эВ и волны ГВГ 2ħω = 2,1 эВ.

Работа показывает, что генерация второй гармоники может служить чувствительным «настольным» методом прямого обнаружения ферро-октупольного параметра порядка в коллинеарных альтермагнетиках. Это открывает новые возможности для изучения скрытых спиновых порядков в твёрдых телах и развития альтермагнитной спинтроники.

Источник: P. A. Usachev, R. V. Pisarev, V. V. Pavlov. Nonlinear Optical Probing of Ferroic-Octupolar Order Parameter in Collinear Altermagnet CoF₂. Physical Review Letters, 2026, 137, 126902, https://doi.org/10.1103/h1ht-vsrn.

Сверхбыстрая динамика колоссальных магнитных поляронов

Второе направление работ коллектива связано с ферромагнитным полупроводником EuO из семейства европиевых халькогенидов EuX (X = O, S, Se, Te) — классической модельной системы в магнетизме и магнитооптике. Ниже температуры Кюри T_C = 69,8 K в EuO возникает ферромагнитный порядок, обусловленный локализованными спинами 4f⁷-электронов ионов Eu²⁺ (S = 7/2). Благодаря сильному обмену между 4f- и 5d- подсистемами, оптическое возбуждение электронов проводимости открывает прямой канал для оптического управления магнетизмом.

Фотоиндуцированный электрон, попав в зону проводимости, локализуется вблизи флуктуации намагниченности и за счёт обменного взаимодействия выстраивает вокруг себя спины ионов Eu²⁺, образуя магнитный полярон (МП) — связанное состояние этого электрона и окружающих его локальных спинов.

В работе, опубликованной в Materials Horizons, исследованы эпитаксиальные плёнки EuO, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии в НИЦ «Курчатовский институт». Магнитооптические измерения проводились методом двухцветной накачки–зондирования: импульс накачки с энергией фотонов 2,38 эВ возбуждал электроны из 4f-состояний в 5d-зону, а зондирующий импульс с энергией 1,19 эВ регистрировал фотоиндуцированный эффект Фарадея (ФЭФ).

Было обнаружено, что в узкой области выше T_C в EuO формируются МП с исключительно большим магнитным моментом, достигающим 1,75×10⁵ μ_B. Для сравнения, в EuS — следующем по семейству халькогениде — аналогичные величины составляют около 1,8×10⁴ μ_B, почти на порядок меньше.

Температурная зависимость магнитного момента МП показывает резкий максимум в узкой области вблизи T_C: при 70 K момент максимален, а при 76 K обращается практически в нуль. Это согласуется с теоретической моделью, предсказывающей, что вблизи температуры магнитного перехода восприимчивость максимальна, и захваченный электрон эффективно усиливает ферромагнитный порядок за счет d–f обменного взаимодействия.

Формирование МП в EuO происходит по следующей схеме. Импульс накачки переводит электрон из 4f⁷5d⁰ в состояние 4f⁶5d¹. Первоначально электрон делокализован в зоне проводимости, но затем захватывается в верхнем зеемановском состоянии ферромагнитной флуктуацией, которая вблизи T_C имеет большой размер. Возникает связанное состояние — магнитный полярон с моментом, направленным против магнитного поля. Затем происходит релаксация в нижнее зеемановское состояние, что и наблюдается как инверсия знака ФЭФ.

Обнаружение МП с рекордными моментами и микросекундным временем жизни открывает новые возможности для оптомагнетизма и спинтроники. Возбуждение таких квазичастиц светом позволяет управлять магнитным состоянием твёрдого тела с помощью слабого магнитного поля, что важно для создания энергоэффективных устройств хранения и обработки информации. EuO при этом является технологичным материалом, интегрируемым с кремнием и германием, что делает его перспективной платформой для практического использования.

Источник: P. A. Usachev, V. N. Kats, L. A. Shelukhin, V. V. Pavlov, et al. Magnetic polarons reach a hundred thousand Bohr magnetons. Materials Horizons, 2025, 12 (2), 512–519, https://doi.org/10.1039/d4mh01156b.

Обзор по теме: P. A. Usachev, A. Wu, V. V. Pavlov. Ultrafast Optical Control of Magnetism in Europium Chalcogenides: Phenomena and Mechanisms. Ultrafast Science, 2026, 6:0153, https://doi.org/10.34133/ultrafastscience.0153.

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-12-00348).

Результаты получены в новом лабораторном помещении и на оборудовании, закупленном в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в Российской Федерации» национального проекта «Наука».