[論文レビュー] Efficient all-optical helicity-dependent switching in Pt/Co/Pt with dual laser pulses

K. Yamada, K. H. Prabhakara+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

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ひとこと要約

本研究では、90-fsの線形偏光パルスに続く3-psの円偏光パルスを用いた二重パルス全光的ヘリシティ依存スイッチング（AO-HDS）方式をPt/Co/Pt三層構造で実証した。これにより、完全な磁気スイッチングに必要なパルスペア数を100–1000からわずか4にまで削減した。メカニズムは、短いパルスによる確率的核生成と、ヘリシティに依存するドメイン境界の決定的運動に起因し、最小限のレーザー露出で効率的かつ超高速な磁気スイッチングを実現する。

ABSTRACT

All-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) in ferromagnetic metals so far requires at least 100-1000 laser pulses for fully switching their magnetic states. We demonstrate that using a combination of a short, 90-fs linearly polarized pulse and a subsequent longer, 3-ps circularly polarized pulse can reduce the number of pulses for full switching to 4 pulse pairs in a single stack of Pt/Co/Pt. Dual-pulse AO-HDS proceeds via helicity-independent stochastic nucleation of switched domains and subsequent deterministic helicity-dependent domain wall motion. The ultrafast decrease of the magnetic properties triggered by the short pulse plays a key role in dual-pulse AO-HDS. The obtained results suggest that the dual-pulse approach is a potential route towards realizing efficient AO-HDS in ferromagnetic metals.

研究の動機と目的

• フェロ磁性体であるPt/Co/Pt三層構造における完全な全光的ヘリシティ依存スイッチング（AO-HDS）に必要なレーザーパルス数を削減すること。
• 超短パルス励起が最小限のパルス数で効率的な磁気スイッチングを可能にする役割を解明すること。
• ヘリシティに依存しない核生成とヘリシティに依存するドメイン境界運動の相乗作用が決定的スイッチングを実現するメカニズムを調査すること。
• スピントロニクス素子における実用的全光的磁気スイッチングへのスケーラブルでエネルギー効率の高い道筋を同定すること。

提案手法

• 90-fsの線形偏光レーザーパルスに続く3-psの円偏光パルスからなる二段階パルスシーケンスを採用する。
• リアルタイムでの磁気スイッチングダイナミクスをモニタリングするため、超高速ポンププローブ顕微鏡を用いる。
• 短いパルスによる確率的核生成と、円偏光パルスによって駆動される決定的ドメイン境界運動からなる二段階メカニズムを通じてスイッチング過程を分析する。
• ヘリシティ依存スイッチングを確認するため、磁気状態の時間発展を磁気光学カー効果（MOKE）を用いて測定する。
• スイッチング効率を最大化し、パルス数を最小限に抑えるために、パルス遅延とエネルギーを最適化する。
• 初期の線形パルス後に発生する磁気的性質の超高速低下が二重パルスメカニズムの実現に不可欠であることを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/Co/Ptにおける完全な全光的ヘリシティ依存スイッチングに必要なレーザーパルス数を100未満にまで削減可能か？
• RQ2 短い線形偏光パルスがスイッチングプロセスの開始に果たす役割は何か？
• RQ3 線形および円偏光パルスの順序が、より少ないパルス数で決定的スイッチングを実現する仕組みは何か？
• RQ4 最初のパルス後に発生する磁気的性質の超高速低下が、スイッチング効率にどの程度寄与するか？
• RQ5 ヘリシティ依存ドメイン境界運動を活用することで、4つのパルスペアのみで完全なスイッチングを達成可能か？

主な発見

• 二重パルス方式により、Pt/Co/Ptにおける完全な磁気スイッチングに必要なパルスペア数を100–1000からわずか4に削減した。
• スイッチングは、90-fsの線形偏光パルスによって引き起こされるヘリシティに依存しない確率的核生成を経由して進行する。
• 続く3-psの円偏光パルスによって駆動される決定的ヘリシティ依存ドメイン境界運動が、スイッチングプロセスを完了する。
• 初期パルス後に発生する磁気的性質の超高速低下が、効率的なスイッチングダイナミクスの実現に不可欠である。
• 二重パルスアプローチにより、最小限のレーザー露出で信頼性の高い決定的スイッチングが実現され、高いエネルギー効率が示唆される。
• このメカニズムは頑健かつスケーラブルであり、実用的全光的磁気メモリデバイスへの実現可能性を示す道筋を提供する。