[論文レビュー] All optical excitation of spin polarization in d-wave altermagnets

Marius Weber, Stephan Wust+14 more|ArXiv.org|Aug 9, 2024

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、線形偏光の超高速光パルスがd波アルテル磁性体（RuO2）にスピン偏極を誘導・制御できることを示し、ab initio理論と時間分解磁気光学カロ機構測定で支持されている。

ABSTRACT

The recently discovered altermagnets exhibit collinear magnetic order with zero net magnetization but with unconventional spin-polarized d/g/i-wave band structures, expanding the known paradigms of ferromagnets and antiferromagnets. In addition to novel current-driven electronic transport effects, the unconventional time-reversal symmetry breaking in these systems also makes it possible to obtain a spin response to linearly polarized fields in the optical frequency domain. We show through ab-initio calculations of the prototypical d-wave altermagnet RuO$_2$, with $[C_2\|C_{4z}]$ symmetry combining twofold spin rotation with fourfold lattice rotation, that there is an optical analogue of a spin splitter effect, as the coupling to a linearly polarized exciting laser field makes the d-wave character of the altermagnet directly visible. By magneto-optical measurements on RuO$_2$ films of a few nanometer thickness, we demonstrate the predicted connection between the polarization of an ultrashort pump pulse and the sign and magnitude of a persistent optically excited electronic spin polarization. Our results point to the possibility of exciting and controlling the electronic spin polarization in altermagnets by such ultrashort optical pulses. In addition, the possibility of exciting an electronic spin polarization by linearly polarized optical fields in a compensated system is a unique consequence of the altermagnetic material properties, and our experimental results therefore present an indication for the existence of an altermagnetic phase in ultrathin RuO$_2$ films.

研究の動機と目的

• compensated magnetization を持つアルテル磁性体を導入および特徴づける。
• 線形偏光光がRuO2において超高速スケールでスピン偏極を誘導できることを実証する。
• 誘導されたスピン偏極がポンプ偏光角度に依存し、制御可能であることを示す。
• 超薄RuO2膜におけるアルテル磁性相の実験的証拠を提供する。
• 超高速アルテル磁的スピントロニクスおよび界面でのスピン操作の含意を概説する。

提案手法

• RuO2をアルテル磁性的相としてスピン軌道耦合を含めて第一原理計算を行い、スピン偏極バンド構造を得る。
• 線形偏光場に対する運動量解像度の偶極子行列要素とFermiの黄金律フレームワークを用いて光励起スピン密度を計算する。
• 占有状態を用いて励起スピン偏極S^z_excを定義・評価する、S^z_exc = sum_{k,mu,epsilon_{k,mu}>=E_F} n_{k,mu} <s^z_{kmu}>。
• polarization-angle依存性を捉えるために、E(t) = E0 exp[-4 ln(2) t^2 / tau^2] e_phiを用いた時間依存的光励起モデルを使用する。
• 実験的には超薄RuO2膜に対して時間分解性の極性磁気光学カロ効果で予測を検証し、ポンプエネルギー1.5 eV、プローブ3.1 eV、ポンプ偏光角度φを回転させて測定する。
• 非磁性 RuO2、TiO2、NiOを参照として比較し、効果のアルテル磁性的起源を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形偏光光励起はd波アルテル磁性体でスピン偏極を生じさせ得るか？
• RQ2 線形偏光ポンプの励起角度はRuO2における光誘起スピン偏極の符号と大きさにどう影響するか？
• RQ3 観測されたスピン偏極はアルテル磁性秩序の指標となり得るか、超薄RuO2膜におけるアルテル磁性の証拠となるか？
• RQ4 RuO2における光誘起スピン偏極の時間スケールと崩壊機構は何か、従来の磁性体とどう比較されるか？

主な発見

• RuO2における光励起スピン偏極は、ポンプ偏光角度に対して180°（2周期）の周期依存性を示し、d波アルテル磁性バンド構造に結びつく。
• 励起直後には顕著なスピン偏 polarization が観測され、約250 fs まで持続した後、スピン反転散乱により崩壊する。
• 非磁性RuO2、TiO2、NiOでは角度依存のスピン偏極は観測されず、効果のアルテル磁性的起源を裏付ける。
• 実験結果はab initio予測と整合し、超薄RuO2膜におけるポンプ偏光の方向で制御可能なスピン偏極を示す。