[論文レビュー] Inverse Orbital Hall Effect Discovered from Light-Induced Terahertz Emission

Yong Xu, Fan Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒レーザーパルスを用いたニッケル膜における超高速軌道電流の生成により、逆軌道ホール効果を実証した。この軌道電流が隣接する非磁性金属に一時的な電荷電流を誘発し、検出可能なテラヘルツ放射を生じる。本研究は、光駆動型で全光学的な軌道電流の生成と変換を実現する道筋を確立し、軌道電子工学デバイスの新規な展開を可能にする。

ABSTRACT

Recent progress in orbitronics reveals the possibility of using orbit current as an information carrier. The interconversion between orbit currents and charge currents is crucial for orbit information processing. Although orbit currents can be created from charge currents via the orbital Hall effect, the conversion from orbit currents into charge currents has been observed only in very few systems due to the lack of a reliable orbit current source and the disturbance of the omnipresent inverse spin Hall effect. In this study, we show that ultrafast pulses of orbit current can be generated in Ni layers by femtosecond laser pulses. We demonstrate that, by injecting such orbit current pulses into nonmagnetic metals, a transient charge current is induced and emits terahertz electromagnetic pulses. The nonmagnetic metal layer acts as a converter of the orbit current into the charge current. The discovery of the generation and conversion of light-induced orbit current opens a new route for developing future orbitronic devices.

研究の動機と目的

• フェムト秒レーザー誘起の軌道電流注入に続く、非磁性金属における逆軌道ホール効果の実証。
• 逆スピンホール効果の支配的寄与により、軌道電流由来の電荷電流の検出が困難であるという課題の克服。
• 超高速レーザー励起を用いた、軌道電流の生成と検出の信頼性の高い手法の確立。
• テラヘルツ放射を用いた、非磁性材料における軌道電流から電荷電流への変換の検証。
• 光誘起の軌道電流を活用した、全光学的ルートによる次世代軌道電子工学情報処理の開拓。

提案手法

• フェムト秒レーザーパルスを用いてニッケル薄膜を励起し、光物質相互作用によって超高速軌道電流を生成する。
• 生成された軌道電流パルスを隣接する非磁性金属層（例：Pt や Ta）に注入し、一時的な電荷電流を誘発する。
• 誘発されたテラヘルツ電磁放射を、電荷電流変換の兆候として測定する。
• 時間分解テラヘルツ分光法を用いて、一時的な電磁パルスの検出と特徴の評価を行う。
• 制御実験と材料の対称性解析を用いて、軌道ホール効果とスピンホール寄与を区別する。
• 放射されたテラヘルツ放射の偏光状態および時間的プロファイルを分析し、軌道電流変換に起因することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー励起を用いて遷移金属膜で超高速軌道電流を生成できるか？
• RQ2 非磁性金属におけるテラヘルツ放射を通じて、逆軌道ホール効果を実験的に観測できるか？
• RQ3 ニッケル中の軌道電流が隣接する非磁性層にどのように一時的電荷電流に変換されるか？
• RQ4 逆スピンホール効果が、軌道電流由来信号の検出にどの程度干渉するか？
• RQ5 この全光学的手法が、将来の軌道電子工学デバイス開発の信頼性のあるプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• フェムト秒レーザー励起により、ニッケル膜に超高速軌道電流が成功裏に生成され、上昇時間は数フェムト秒のオーダーである。
• 生成されたこれらの軌道電流が非磁性金属に注入され、検出可能なテラヘルツ電磁パルスを発生させる一時的電荷電流が誘発される。
• 観測されたテラヘルツ放射は、偏光および時間分解測定により確認された逆軌道ホール効果に起因する。
• 信号の振幅および時間的プロファイルは、理論的予測である軌道電流から電荷電流への変換と整合的である。
• 検出経路に磁性材料が存在せず、スピンホール寄与が抑制されていることから、軌道電流効果の支配的寄与が確認された。
• 本結果は、実用的で全光学的な軌道電流の生成と検出法を示しており、軌道電子工学分野における新たな展開を可能にする。