[論文レビュー] Laser-Induced Transient Magnons in Sr3Ir2O7 Throughout the Brillouin Zone

D. G. Mazzone, D. Meyers+33 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Solid State Laser Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超短パルス励起を用いた超高速共鳴非弾性X線散乱を用いて、ギャップを持つ反強磁性体Sr3Ir2O7において、フェムト秒レーザーパルスが全ブリユアンゾーンにわたって大きな波数を持つ一時的スピン波（遷移的磁気モード）を励起することを実証した。これらの遷移的磁気モードは、元のスピン秩序の回復時間よりも長く、数ピコ秒にわたり持続する。結果として、明示的な磁気崩壊チャネルを通じた効率的な熱化を可能にするスピンバトルネック効果が明らかになった。これは、等方的磁気相互作用が超高速磁気制御において最適である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Although ultrafast manipulation of magnetism holds great promise for new physical phenomena and applications, targeting specific states is held back by our limited understanding of how magnetic correlations evolve on ultrafast timescales. Using ultrafast resonant inelastic x-ray scattering we demonstrate that femtosecond laser pulses can excite transient magnons at large wavevectors in gapped antiferromagnets, and that they persist for several picoseconds which is opposite to what is observed in nearly gapless magnets. Our work suggests that materials with isotropic magnetic interactions are preferred to achieve rapid manipulation of magnetism.

研究の動機と目的

• ギャップを持つ反強磁性体における磁気相関の超高速ダイナミクスを理解すること。これは、量子状態の制御や新規スピントロニクス応用の基盤となる。
• フェムト秒レーザー励起を用いて、Sr3Ir2O7における全ブリユアンゾーンにわたる大きな波数を持つ一時的磁気モードが励起可能かどうかを調査すること。
• レーザー誘発の一時的磁気モードの寿命および空間的分布、およびその緩和経路を特定すること。
• 一時的スピン波の持続性を支える磁気崩壊チャネルおよびスピンバトルネック効果の役割を解明すること。
• 特に等方的磁気相互作用を含む材料的特性が、超高速磁気制御の効率性と迅速性をどのように規定するかを同定すること。

提案手法

• 120 Hz繰り返しレートの自由電子レーザーを用い、Linac Coherent Light Source (LCLS) で150 fs時間分解能を達成した超高速共鳴非弾性X線散乱（tr-RIXS）を実施した。
• 磁気的ブラaggピーク強度比（I_on / I_off）を、逆格子位置(π,π)および(π,0)で測定し、磁気秩序の時間発展を追跡した。
• 1回の遅延ごとに144,000ショットの時間分解RISXスペクトルを収集し、エネルギー分解能は約70 meV、角度受容角は6°であり、正確な磁気モード連続体解析が可能となった。
• 入射ビーム強度モニタに従ってデータを正規化し、680 meVの軌道励起エネルギーにキャリブレーションした。弾性ラインおよび磁気モード連続体のパラメータは、それぞれ0 meVおよび260 meVに固定した。
• X線の浸透深さを制御するため、斜入射幾何配置を用い、214–378 nmの範囲に設定した。レーザー飛跡は20 mJ/cm²に固定し、スポットサイズは50 µmとした。
• 最初の7 ps間のレーザーじんつを補正するため、GaAsタイミングツールを用い、有効な時間分解能を150 fs FWHMに達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザーパルスは、ギャップを持つ反強磁性体において、全ブリユアンゾーンにわたって大きな波数を持つ一時的磁気モードを励起できるか？
• RQ2 これらの遷移的磁気モードは、元のスピン秩序の回復時間と比較してどの程度持続するか？
• RQ3 一時的スピン波の熱化に寄与する明示的な磁気崩壊チャネルの役割は何か？
• RQ4 なぜSr3Ir2O7における一時的磁気モードは、ほぼギャップのない磁性体よりも長く持続するのか？
• RQ5 磁気相互作用の異方性といった、材料的特性が超高速磁気制御の効率にどのように寄与するか？

主な発見

• Sr3Ir2O7において、全ブリユアンゾーンにわたって一時的磁気モードが観測され、逆格子位置(π,π)および(π,0)での励起が確認された。
• 磁気秩序パラメータはサブピコ秒スケールで回復したが、一時的磁気モードはその回復をはるかに超えて数ピコ秒にわたり持続した。
• 磁気モード連続体は260 meVに中心を置き、実験的分解能と整合する幅を示した。また、測定された波数領域全体で、平均値の1.44–2.02倍の振幅を維持した。
• 急速なスピンネットワーク回復にもかかわらず、一時的磁気モードの持続は、効率的な熱化を可能にする明示的崩壊チャネルを介したスピンバトルネック効果を示唆している。
• 結果から、等方的磁気相互作用を有する材料が、迅速かつ制御可能な超高速磁気制御を実現する上でより好ましい可能性があると示唆された。
• 実験データは、t > 0においても残留磁気信号を示しており、これはレーザー励起とX線プローブ体積の空間的不一致を示唆していた。この不一致は、タイミングツールとショット平均化により補正された。