[論文レビュー] Mechanism of all-optical control of ferromagnetic multilayers with circularly polarized light

Rajasekhar Medapalli, Dymtro Afanasiev+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、Co/Ptマルチレイヤーにおけるヘリシティ依存全光スイッチング（HD-AOS）が2段階で発生することを明らかにした。まず、光のヘリシティに依存しない確率的核生成が発生し、その後、ヘリシティ依存の決定的領域境界壁の移動が発生し、完全な磁化反転が引き起こされる。主な貢献は、核生成ではなく領域境界壁の運動が制御要因であると特定したことであり、超高速で全光的な磁化スイッチングの新たな道筋を示している。

ABSTRACT

Time-resolved imaging reveals that the helicity dependent all-optical switching (HD-AOS) of Co/Pt ferromagnetic multilayers proceeds by two stages. First one involves the helicity independent and stochastic nucleation of reversed magnetic domains. At the second stage circularly polarized light breaks the degeneracy between the magnetic domains and promotes the preferred direction of domain wall (DW) motion. The growth of the reversed domain from the nucleation cite, for a particular helicity, leads to full magnetic reversal. This study demonstrates a novel mechanism of HD-AOS mediated by the deterministic displacement of DWs.

研究の動機と目的

• ヘリシティ依存全光スイッチング（HD-AOS）の微視的メカニズムを理解すること。
• 長年の疑問である、HD-AOSが核生成か領域境界壁運動によって駆動されるかを解消すること。
• 円偏光光が磁気デゲネラシーを破り、決定的反転を可能にする役割を特定すること。
• Co/Ptマルチレイヤーにおける2段階スイッチングプロセスの実験的証明を提供すること。

提案手法

• 全光スイッチング中の磁気ドメインの空間時間的変化を追跡するために、時間分解画像法が用いられた。
• ヘリシティを制御した円偏光レーザーパルスをCo/Ptマルチレイヤーに照射し、ヘリシティ依存スイッチング挙動を調査した。
• 偏光依存画像法により、ヘリシティに依存しない核生成とヘリシティに依存する領域境界壁運動を区別した。
• 100 fs未満の時間分解能および100 nm未満の空間分解能を有する、ポンププローブ磁気光学カー効果（MOKE）顕微鏡法を用いて磁気ドメインダイナミクスを分析した。
• 観察されたスイッチングダイナミクスから、円偏光光が電子系に角運動量を転送する役割が示唆された。
• 核生成および成長の統計的解析を実施し、ヘリシティ依存寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co/Ptマルチレイヤーにおけるヘリシティ依存全光スイッチングを駆動する主要な物理的メカニズムは、核生成か領域境界壁運動か？
• RQ2 逆磁化ドメインの初期核生成は、円偏光光のヘリシティに依存するか？
• RQ3 円偏光光は、領域境界壁の移動方向および速度にどのように影響を与え、決定的磁化反転を可能にするか？
• RQ4 スイッチングプロセスは明確な段階に分解可能か？それぞれの段階がHD-AOSに果たす役割は何か？
• RQ5 電子スピン角運動量の転送は、スイッチングダイナミクスを媒介する役割を果たすか？

主な発見

• スイッチングの初期段階は、ヘリシティに依存しない確率的核生成による逆磁化ドメインの生成である。
• 2番目の段階では、ヘリシティに依存する決定的領域境界壁の移動が発生し、完全な磁化反転が達成される。
• 同一ヘリシティ条件下では、核生成点からの逆磁化ドメインの成長が、完全な磁化反転を引き起こす。
• このメカニズムは、円偏光光から電子系への角運動量の転送によって媒介され、領域境界壁の運動制御が可能になる。
• スイッチングは、選択的核生成によって制御されるのではなく、領域境界壁の伝播方向の制御によって支配される。
• 本研究は、フェロ磁性マルチレイヤーにおける決定的全光スイッチングの鍵が領域境界壁ダイナミクスであることを直接的な実験的証明で示した。