滑移铁电的极化翻转一般通过施加面外电场实现，但电场驱动滑移铁电翻转不可控，且电极制备困难。近日，南京大学杨玉荣、吴迪课题组发现脉冲激光可以驱动双层h-BN中滑移极化并引起超快翻转，同时这种极化的超快运动可以产生动态磁场。相关成果以“Ultrafast Switching of Sliding Polarization and Dynamical Magnetic Field in van der Waals Bilayers Induced by Light”为题发表在《Physical Review Letters》期刊上。
图1 脉冲激光下双层h-BN的滑移极化翻转示意图。左图红色小箭头表示剪切声子E(4)与E(5)；上图虚线表示上层与下层原子的垂直对应关系；下图虚线表示h-BN原胞。
通过第一性原理计算与机器学习势分子动力学，该研究考虑了连续多次太赫兹脉冲下双层h-BN的滑移响应。如图1所示，太赫兹脉冲可以共振激发双层h-BN中的剪切声子E(4)与E(5)，继而引起层间的滑移振荡。剪切声子的简正模幅值随着脉冲数的增加而增加。如图2(b)所示，当连续施加4次脉冲时，E(4)模的幅值跳跃至新的稳态，表明体系发生了从AB到BA堆垛的转变。与此同时，体系的面外极化也发生了由负到正的翻转（如图2c）。
图2 脉冲激光下极化与动态磁场的变化。(a) 滑移过程中电偶极矩的变化示意图；(b) 脉冲光的电场分量以及对应E(4)模的幅值Q；(c) 脉冲光电场作用下的极化分量与(d) 动态磁矩和磁场分量。
图2(a)展示了滑移过程中双层h-BN电偶极矩的变化。当体系处于基态的AB或BA堆垛时，面外极化最大而面内极化为零；当体系由AB向BA转变时，面外极化逐渐减小而面内极化逐渐增大；到势能鞍点（SP）的位置，面外极化消失而面内极化达到最大；此后面内极化逐渐减小而面外极化沿反向逐渐增大。因此，滑移过程中双层h-BN的电偶极矩以近似摆线的形式实现翻转。由动态多铁效应，当这种非共线的极化翻转过程在超快时间尺度内完成时，将诱导产生可观测的动态磁场。图2(d)展示了4次脉冲下对应的动态磁矩与有效磁场，其峰值大小已经达到NV色心磁力计的测量范围。
图3 六角闭合路径下的滑移运动与动态磁电耦合。(a) 上下层间在平面内滑移对应的电偶极矩变化；短箭头对应面内极化，其颜色表示面外极化；灰色长箭头表示滑移路径；1、3、5表示AB堆垛，2、4、6表示BA堆垛；(b) 施加的脉冲光电场分量及其引起的(c) 剪切声子，(d) 极化分量和(e) 动态磁矩与磁场。
文章信息
南京大学杨玉荣、吴迪教授和卢森堡大学Jorge Íñiguez-González教授为通讯作者。课题组博士生王健和李旭博士为共同第一作者。南京大学刘俊明教授、华东师范大学段纯刚教授等也为本工作提供了重要支持。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目的资助。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.126801
--课题组供稿
