[論文レビュー] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin-phonon interactions

E. Rongione, O. Gueckstock+18 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、NiO/Ptバイレイヤーにおいて、2つの異なるメカニズムを介して1 THzで超高速でコherentなTHz磁気フォノン発生を実証した。1つのメカニズムは(111)配向NiOにおける直接非共鳴光学スピントロープ（ICME）であり、もう1つは(001)配向NiOにおける歪み駆動型スピン-フォノン結合である。主な結果は、<50 fsの直接的光学励起と>300 fsの歪み誘起ダイナミクスという、著しく異なる時間スケールを持つ2つの励起経路の同定であり、これが反強磁性スピントロニクス素子におけるチューナブルで狭帯域のTHz発生を可能にする。

ABSTRACT

Antiferromagnetic materials have been proposed as new types of narrowband THz spintronic devices owing to their ultrafast spin dynamics. Manipulating coherently their spin dynamics, however, remains a key challenge that is envisioned to be accomplished by spin-orbit torques or direct optical excitations. Here, we demonstrate the combined generation of broadband THz (incoherent) magnons and narrowband (coherent) magnons at 1 THz in low damping thin films of NiO/Pt. We evidence, experimentally and through modelling, two excitation processes of magnetization dynamics in NiO, an off-resonant instantaneous optical spin torque and a strain-wave-induced THz torque induced by ultrafast Pt excitation. Both phenomena lead to the emission of a THz signal through the inverse spin Hall effect in the adjacent heavy metal layer. We unravel the characteristic timescales of the two excitation processes found to be &lt; 50 fs and &gt; 300 fs, respectively, and thus open new routes towards the development of fast opto-spintronic devices based on antiferromagnetic materials.

研究の動機と目的

• 反強磁性絶縁体におけるコherentなTHz磁気フォノン発生のための超高速励起メカニズムを同定・区別すること。
• NiO/Ptヘテロ構造において、狭帯域（1 THz）および広帯域THz発生を実証すること。
• THz発生メカニズムを、NiOの結晶方位に結びつけること。
• 異なる励起経路におけるスピン電流の上昇および減衰時間スケールを定量すること。
• スピン-フォノン相互作用および光学スピントロープが、反強磁性絶縁体におけるコherentな磁気フォノンダイナミクスを駆動する役割を確立すること。

提案手法

• 法線入射の超短パルス近赤外レーザー（100 fs）を用いて、NiO/Ptバイレイヤーを励起した。
• THz発生は、ZnTe結晶を検出器として用いた時間領域分光法により測定した。
• THz発生の角度依存性をマッピングすることで、偏光とNiOの結晶方位の相関を評価した。
• 理論的モデリングを用いて、直接的光学スピントロープ（ICME）と歪み誘起スピン-フォノン結合メカニズムを区別した。
• スピン電流ダイナミクスは、Pt層における逆スピンホール効果（ISHE）を介して分析し、スピン電流を測定可能な電荷電流に変換した。
• モデリングには、コherentな歪み波と非コherentな格子加熱の寄与を含み、トルク項は磁気弾性定数と歪み成分に比例した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NiO/Ptヘテロ構造におけるコherentなTHz磁気フォノン発生を引き起こす主要な励起メカニズムは何か？
• RQ2 直接的光学スピントロープ経路とスピン-フォノン結合経路との間で、スピン電流生成の時間スケールはどのように異なるか？
• RQ3 なぜコherentな1 THz発生は(001)配向NiO膜でのみ観測され、(111)配向膜では観測されないのか？
• RQ4 NiOの結晶方位は、THz発生の偏光依存性および対称性にどのように影響するか？
• RQ5 歪み誘起の交換相互作用および磁気的異方性の変化が、観測された磁気フォノンダイナミクスにどの程度寄与するか？

主な発見

• (001)配向NiO/Ptバイレイヤーにおいて、実験的にコherentな1 THz磁気フォノン発生が観測された。周波数は1.1 THzであり、NiOの高周波数磁気フォノン分岐と一致した。
• (111)配向NiOにおける直接的光学スピントロープメカニズム（ICME）は、50 fs未塔のスピン電流上昇時間を示した。これは実験的分解能に制限される。
• (001)配向NiOにおける歪み駆動型スピン-フォノン結合は、300 fsを超えるスピン電流減衰時間を示し、より長寿命な励起プロセスであることを示した。
• 角度依存THz発生マッピングにより、発生メカニズムがネールベクトルの配向と直接関連していることが確認され、偏光依存性により(111)と(001)配向の区別が可能になった。
• モデリングにより、コherentな歪み波と非コherentな格子加熱の両方がネールベクトルへのトルクに寄与しており、前者がコherentな1 THz振動を駆動していることが示された。
• 磁気弾性結合と動的歪み変調の併用効果により、ネールベクトルが0.3°のずれを示し、ISHEを介したPtへの効率的なスピン電流注入が可能になった。