[論文レビュー] Laser-induced terahertz spin transport in magnetic nanostructures arises from the same force as ultrafast demagnetization

Seyed Mohammedreza Rouzegar, Liane Brandt+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 42被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、磁性ナノ構造におけるレーザー誘発テラヘルツスピン輸送（TST）と超高速磁化消去（UDM）が、同じ根本的要因である非熱的電子分布に起因する一般化スピン電圧によって駆動されることを示している。広帯域テラヘルツ放射分光法を用いて、UDMとTSTフラックスの時間的ダイナミクスが同一であることを実証し、UDM物理学の知見を活用することでTSTの振幅を最大10倍に向上させられることを明らかにした。

ABSTRACT

Laser-induced terahertz spin transport (TST) and ultrafast demagnetization (UDM) are central but so far disconnected phenomena in femtomagnetism and terahertz spintronics. Here, we use broadband terahertz emission spectroscopy to reliably measure both processes in one setup. We find that the rate of UDM of a single ferromagnetic metal film F has the same time evolution as the flux of TST from F into an adjacent normal-metal layer N. This remarkable agreement shows that UDM and TST are driven by the same force, which is fully determined by the state of the ferromagnet. An analytical model consistently and quantitatively explains our observations. It reveals that both UDM in F and TST in the F|N stack arise from a generalized spin voltage, which is defined for arbitrary, nonthermal electron distributions. We also conclude that contributions due to a possible temperature difference between F and N are minor and that the spin-current amplitude can, in principle, be increased by one order of magnitude. In general, our findings allow one to apply the vast knowledge of UDM to TST, thereby opening up new pathways toward large-amplitude terahertz spin currents and, thus, energy-efficient ultrafast spintronic devices.

研究の動機と目的

• フェムト秒磁気学においてこれまで独立した現象と見なわれてきたテラヘルツスピン輸送（TST）と超高速磁化消去（UDM）の間の直接的な実験的関連を確立すること。
• フェロ磁性ナノ構造におけるTSTとUDMを駆動する同じ物理的メカニズムが存在するかどうかを特定すること。
• 非熱的電子分布に適用可能な一般化スピン電圧に基づく解析的モデルの構築と検証すること。
• 温度勾配と電子-フォノン平衡化がTSTおよびUDMダイナミクスに果たす役割を評価すること。
• 既存のUDMの知見を活用してTSTの振幅を向上させる可能性を検討すること。

提案手法

• 広帯域テラヘルツ放射分光法を用いて、単層フェロ磁性体（F）におけるUDMとF|N（フェロ磁性体/正常金属）ヘテロ構造におけるTSTを同時に測定した。
• サンプルの回転（0° 対 180°）を用いて、反対称（奇数）テラヘルツ信号を分離し、磁化ダイナミクス（UDM）とスピン電流フラックス（TST）に比例する。
• 任意の非熱的電子分布に対して定義される一般化スピン電圧Δμ̃sに基づく解析的モデルを適用し、時間発展は電子-フォノン緩和率に従う。
• 非熱的電子状態を考慮した修正された二温度モデル（2TM）を用いて実験データをフィットさせ、自由パラメータはΓ_es（電子-スピン緩和率）と全体的な振幅スケーリングの2つのみを採用した。
• 実験的時間分解能に合わせるため、理論的予測を40 fsのガウス関数と畳み込み処理を施した。
• FおよびF|NスタックにおけるΓ_epとR（エネルギー分配比）の計算に、文献値を用いて電子-フォノン結合（G_ep）および比熱（C_e, C_p）を用い、式（50）および（51）に従った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性ナノ構造におけるテラヘルツスピン輸送（TST）と超高速磁化消去（UDM）は、同じ駆動力を持つのか？
• RQ2 フェムト秒レーザー励起に続く非熱的電子分布に一般化スピン電圧の概念を適用可能か？
• RQ3 FとN間の温度勾配がTSTに与える寄与は、スピン電圧効果に比べてどの程度顕著か？
• RQ4 統一された理論的枠組みを用いて、UDM測定からTSTの時間的ダイナミクスを予測可能か？
• RQ5 TSTの最大振幅は何か？ また、電子ダイナミクスを設計することでその増幅が可能か？

主な発見

• CoFe(3 nm)膜における超高速磁化消去率（Ṁ）の時間的変化は、CoFe|Pt(3 nm)ヘテロ構造におけるスピン電流フラックス（j_s）の時間的ダイナミクスと同一であり、100 fsの期間にわたり相関係数が0.99を超える。
• 観測されたUDMおよびTSTのダイナミクスは、非熱的電子分布に依存する一般化スピン電圧Δμ̃sによって定量的に説明可能であり、これはフェロ磁性体層の状態によって完全に決定される。
• FとN間の温度勾配はTSTにほとんど寄与せず、主な駆動力は一般化スピン電圧である。
• 理論的に、フェロ磁性体層の電子ダイナミクスを最適化することで、TSTの振幅を最大10倍に向上させられる。
• TSTの時間的発生は、ポンプパルスの幅によってのみ制限され、系内の緩和過程による制限はない。
• 一般化スピン電圧モデルを用いた実験データへのフィットでは、良好な一致が得られ、CoFeBではΓ_es⁻¹ = 105 ± 5 fs、NiFeでは198 ± 17 fsであり、WおよびPtキャップ層に対しても一貫した値が得られた。