[論文レビュー] Nonlinear terahertz Néel spin-orbit torques in antiferromagnetic Mn$_2$Au

Yannic Behovits, Alexander L. Chekhov+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 38被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、1周期のテラヘルツパルスを用いて反強磁性体Mn₂Auにおいて超高速で非線形なネールスピン軌道トーキー（NSOT）を実証した。これにより、1 ps以内に30°までの整然とした面内ネールベクトルのずれが誘発された。フェムト秒マグネトオプティカルプロービングおよび微視的磁気モデルによる確認された観測動態は、(150 ± 50) cm²/A·sのトルカンスを示しており、熱を最小限に抑えつつ電場駆動で1ピコ秒未満の反強磁性スイッチングが可能であることを示唆している。

ABSTRACT

Antiferromagnets have large potential for ultrafast coherent switching of magnetic order with minimum heat dissipation. In materials such as Mn2Au and CuMnAs, electric rather than magnetic fields may control antiferromagnetic order by Néel spin-orbit torques (NSOTs). However, these torques have not yet been observed on ultrafast time scales. Here, we excite Mn2Au thin films with phase-locked single-cycle terahertz electromagnetic pulses and monitor the spin response with femtosecond magneto-optic probes. We observe signals whose symmetry, dynamics, terahertz-field scaling and dependence on sample structure are fully consistent with a uniform in-plane antiferromagnetic magnon driven by field-like terahertz NSOTs with a torkance of (150 ± 50) cm2 A−1 s−1. At incident terahertz electric fields above 500 kV cm−1, we find pronounced nonlinear dynamics with massive Néel-vector deflections by as much as 30°. Our data are in excellent agreement with a micromagnetic model. It indicates that fully coherent Néel-vector switching by 90° within 1 ps is within close reach.

研究の動機と目的

• テラヘルツネールスピン軌道トーキー（NSOT）を用いて、Mn₂Auにおける電場駆動・超高速・整然とした反強磁性秩序のスイッチングを実証すること。
• フェムト秒時間分解能を用いて、強力なテラヘルツ場下でのネールベクトルの非線形動態をプローブすること。
• 反強磁性体Mn₂AuにおけるNSOT駆動スピン動態の対称性、場強度依存性、構造的依存性を確立すること。
• 1 ps以内に完全に整然としたネールベクトルスイッチングが可能であることを、微視的磁気モデルを用いて実験結果を検証すること。

提案手法

• ピーク電場が500 kV/cmに達する位相ロックされた1周期テラヘルツパルスを用いてMn₂Au薄膜を励起する。
• ポンプ-プローブ遅延関数としての偏光変化（ΔS）を測定するフェムト秒マグネトオプティカルプロービング。
• 信号が電場およびネールベクトルの両方に関して奇関数となるように、テラヘルツ場の極性、プローブ偏光角（φpr）、およびサンプルの方位角（φs）を系統的に変化させ、寄与を分離する。
• 式（16）に基づく微視的磁気モデルを用い、非線形項を含む面内ネールベクトル動態を、場の効果によるNSOT駆動で記述する。
• 時間領域インパulse応答のデコンボリューションを実施し、ネールベクトルずれの内在的動態を抽出する。
• 信号の対称性およびテラヘルツ場強度依存性の分析により、観測された応答がNSOT駆動であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1周期のテラヘルツパルスを用いて、Mn₂Auにおける超高速時間スケールでの非線形ネールスピン軌道トーキーを観測できるか？
• RQ2 強力なテラヘルツ励起下におけるMn₂AuのNSOTトルカンスの大きさと場強度依存性は何か？
• RQ3 ネールベクトルはどの程度まで整然とずらされるのか？1 ps以内に完全な90°スイッチングが達成可能か？
• RQ4 観測された信号の対称性および動態は、他のスピン軌道機構ではなく場の効果によるNSOTの存在をどの程度まで裏付けているか？

主な発見

• 奇関数性を持つ信号の場強度依存性から、(150 ± 50) cm²/A·sのトルカンスが抽出され、ネールスピン軌道トーキーの存在が確認された。
• テラヘルツ電場が500 kV/cmを超えると、ネールベクトルは最大30°の著しいずれが生じ、強い非線形動態を示している。
• 信号はテラヘルツ電場およびネールベクトルの両方に関して奇関数であり、場の効果によるNSOTと整合的であり、対称的または磁場駆動寄与を除外している。
• 微視的磁気モデルにより、最適な励起条件下で1 ps以内に完全に整然としたネールベクトルスイッチングが可能であることが確認された。
• デコンボリューションにより抽出されたネールベクトルずれの時間領域インパulse応答は、モデル予測と一致し、整然とした振動応答を示している。
• 観測された信号の対称性および角度依存性（例：cos(2φpr − 2φs)）は、すべてNSOT駆動による面内ネールベクトル回転と完全に整合している。