[論文レビュー] Launching magnons at terahertz speed with the spin Seebeck effect

Tom S. Seifert, Samridh Jaiswal+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、100 fsのレーザーパルスを用いてプラチナを励起することで、フェリ磁性体のイットリウム鉄 garnet (YIG) におけるスピンゼーベック効果を介した超高速なマグノン生成を実証した。スピン電流は約100 fsで発生する。このプロセスは金属-絶縁体界面における電子散乱によって駆動され、スピンダイナミクスが約4 fs以内にマグノン電流に印加され、テラヘルツ速度でのスピン操作とスピントロニクスおよび分光法分野における新たな応用が可能になる。

ABSTRACT

Understanding the transfer of spin angular momentum is essential in modern magnetism research. A model case is the generation of magnons in magnetic insulators by heating an adjacent metal film. Here, we reveal the initial steps of this spin Seebeck effect with <27fs time resolution using terahertz spectroscopy on bilayers of ferrimagnetic yttrium-iron garnet and platinum. Upon exciting the metal with an infrared laser pulse, a spin Seebeck current $j_ extrm{s}$ arises on the same ~100fs time scale on which the metal electrons thermalize. This observation highlights that efficient spin transfer critically relies on carrier multiplication and is driven by conduction electrons scattering off the metal-insulator interface. Analytical modeling shows that the electrons' dynamics are almost instantaneously imprinted onto $j_ extrm{s}$ because their spins have a correlation time of only ~4fs and deflect the ferrimagnetic moments without inertia. Applications in material characterization, interface probing, spin-noise spectroscopy and terahertz spin pumping emerge.

研究の動機と目的

• 磁性絶縁体におけるスピン角運動量移動の初期ダイナミクスをスピンゼーベック効果を用いて理解すること。
• 金属-絶縁体バイレイヤーにおける金属のレーザー励起に続くマグノン生成の時間スケールを調査すること。
• 金属-絶縁体界面における電子散乱がスピン電流およびマグノン励起を駆動する役割を特定すること。
• 超高速スピンゼーベック効果がテラヘルツスピンポンプおよび材料特性評価にどのように応用可能かを検討すること。

提案手法

• 27 fs未満の時間分解能を持つ超高速テラヘルツ分光法を用いて、Pt/YIGバイレイヤーのスピンダイナミクスをプローブした。
• 赤外レーザーパルスがプラチナ層を励起し、電子の熱化を引き起こし、その後スピン電流が生成された。
• スピンゼーベック電流 $j_{\text{スピン}}$ は約100 fsの時間スケールで測定され、電子の熱化と一致した。
• 解析的モデルにより電子ダイナミクスとスピン電流を関連付け、スピン配向の相関時間は約4 fsであることが明らかになった。
• キャリア増幅と界面散乱の役割を分離して系の応答を分析した。
• フェリ磁性体のイットリウム鉄ガーネット (YIG) が磁性絶縁体として用いられ、プラチナがスピン源として機能した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/YIGバイレイヤーにおけるレーザー励起に続くスピン電流生成の時間的変化はいかなるものか？
• RQ2 金属内での電子熱化後にスピンゼーベック電流 $j_{\text{スピン}}$ はどのくらいの速さで確立されるか？
• RQ3 金属-絶縁体界面における電子散乱がスピンゼーベック効果を駆動する役割は何か？
• RQ4 スピン角運動量ダイナミクスはどのくらいの速さでマグノン電流に印加されるか？
• RQ5 スピンゼーベック効果を用いてテラヘルツ周波数でマグノンを生成できるか？

主な発見

• スピンゼーベック電流 $j_{\text{スピン}}$ は約100 fsの時間スケールで発生し、プラチナ層内の電子熱化と一致する。
• スピンダイナミクスは約4 fs以内にマグノン電流に印加され、スピン配向の相関時間が非常に短いことが示された。
• 効率的なスピン転送は、キャリア増幅および金属-絶縁体界面における電子散乱に強く依存する。
• フェリ磁性モーメントの再配列に慣性がないため、スピン電流に対して超高速応答が可能である。
• 本系はテラヘルツ速度でのスピンポンプを可能にし、スピンノイズ分光法および界面プローブへの応用が期待される。
• 解析的モデルにより、電子ダイナミクスがスピン電流にほぼ瞬時に転送されることが確認され、プロセスの超高速性が裏付けられた。