[論文レビュー] All-Optical Generation of Antiferromagnetic Magnon Currents via the Magnon Circular Photogalvanic Effect

Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 63被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、励起ラマン散乱を介した磁振子円偏光効果（MCPGE）を用いて、ヘキサゴナル反強磁性絶縁体における指向性磁振子電流を全光的手段で生成する手法を提案する。この効果により、レーザーの偏光状態および入射角を用いて磁振子電流の方向と大きさを制御可能であり、プラチナ接触における実験的に測定可能な逆スピンホール電圧が得られることから、光誘発磁振子電流生成の一次的メカニズムが確立される。

ABSTRACT

We introduce the magnon circular photogalvanic effect enabled by stimulated Raman scattering. This provides an all-optical pathway to the generation of directed magnon currents with circularly polarized light in honeycomb antiferromagnetic insulators. The effect is the leading order contribution to magnon photocurrent generation via optical fields. Control of the magnon current by the polarization and angle of incidence of the laser is demonstrated. Experimental detection by sizeable inverse spin Hall voltages in platinum contacts is proposed.

研究の動機と目的

• 反強磁性絶縁体における指向性磁振子電流の全光的生成の理論的基盤を確立すること。
• 磁振子円偏光効果（MCPGE）が、弱い磁気双極子メカニズムを上回る、光誘発磁振子電流生成における一次的寄与であることを特定すること。
• 対称性保護された非線形光学応答を用いて、レーザーの偏光および入射角による磁振子電流の制御を示すこと。
• 実験的に測定可能な電圧信号を得るため、プラチナ接触における逆スピンホール効果（ISHE）を用いた実現可能な検出手法を提案すること。
• 共線的ヘキサゴナル反強磁性体に一般化可能であり、他の磁気点群へ拡張可能な一般的な枠組みを提供すること。

提案手法

• C3v対称性を有する共線的ヘキサゴナル反強磁性体における励起ラマン散乱の理論的分析を行い、二次電場依存性を用いて光物質結合をモデル化する。
• 対称性制約によって1つの独立成分に簡略化された五次高次光学感受率テンソルσijklmを用いて磁振子電流を導出する。
• 電流の大きさと方向を表す式⟨J⟩ = ζ Im(σ) cosθ sin²θ (sin2φ ˆey − cos2φ ˆex) を用い、レーザー入射角（θ）および偏光チラリティ（ζ）を関数として記述する。
• 対称性解析により、奇数次非線形過程のみが寄与することを確認し、第三次感受率が対称性により消滅するため、第五次項が支配的であることを示す。
• 磁振子の崩壊率が温度に線形に依存すると仮定し、プラチナ接触における逆スピンホール効果（ISHE）応答をモデル化して、磁振子電流を測定可能な電荷電圧に変換する。
• MnPS3（S = 5/2, J1 = 1.54 meV, J2 = −0.14 meV など）の実際のパラメータを用いた数値シミュレーションにより、低温でVISHE ∼1 mVの電圧が得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光光は、全光的経路を介して反強磁性絶縁体において、ネットで方向性を持つ磁振子電流を生成できるか？
• RQ2 光誘発磁振子電流生成における一次的メカニズムは何か？また、磁気双極子に基づく提案と比較してどう異なるか？
• RQ3 磁振子電流はレーザーの偏光および入射角にどのように依存し、実験的に調整可能か？
• RQ4 生成された磁振子電流は、既存の実験装置を用いてプラチナ接触で検出可能な逆スピンホール電圧を生じるか？
• RQ5 磁振子電流の温度依存性は何か？また、MnPS3における実験的観測と整合するか？

主な発見

• 反強磁性絶縁体における光誘発磁振子電流生成において、磁振子円偏光効果（MCPGE）が第五次高次非線形感受率に起因し、一次的寄与であると特定された。
• 磁振子電流⟨J⟩はcosθ sin²θに比例し、レーザーの偏光チラリティ（ζ）および方位角方向φに方向依存性を示し、周期2φの花びら型の角度分布を形成する。
• 線形偏光では電流が消え、θ ≈55°およびφ = 45°で最大値に達し、正規化されたピーク値Jmaxを示す。
• プラチナ接触では約1 mVの逆スピンホール電圧が予測され、DC磁振子電流実験で観測された実験的に測定可能なレベルと一致する。
• 磁振子電流は温度上昇に伴い急速に減衰し、T ≈30 Kでほぼゼロになる。これは、MnPS3においてこの温度以上で電流が消えるという実験的観測と整合する。
• 理論的枠組みは他の共線的ヘキサゴナル反強磁性体へ一般化可能であり、対称性解析を用いてより広範な磁気点群へ拡張可能である。