[論文レビュー] One-dimensional optomagnonic microcavities for selective excitation of perpendicular standing spin waves

V.A. Ozerov, D.A. Sylgacheva+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 60被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1次元光磁気マイクロキャビティにおいて、超短パルスレーザーを用いて特定の次数の垂直偏光定常スピン波（PSSWs）を選択的に励起する手法を提案する。ファブリ・ペロー共振器内の磁性膜で生成される空間非一様な逆フォアザイド効果（IFE）場を活用することで、IFE場のプロファイルと波数が一致するPSSWモードのみを効率的に励起でき、マイクロ波アンテナや複雑な調整機構を必要としない単一モード励起を実現する。

ABSTRACT

Here we propose a method of the excitation of perpendicular standing spin waves (PSSWs) of different orders in an optomagnonic microcavity by ultrashort laser pulses. The microcavity is formed by a magnetic dielectric film surrounded by dielectric non-magnetic Bragg mirrors. Optical cavity modes in the magnetic layer provide concentration and strongly non-uniform distribution of the optical power over the layer thickness and therefore induce the effective field of the inverse Faraday effect also spatially non-uniform. It results in excitation of PSSWs. PSSWs whose wavevector is closest to the wavevector characterizing distribution of the inverse Faraday effect field are excited most efficiently. Consequently, a key advantage of this approach is a selectivity of the PSSW excitation which allows to launch PSSWs of required orders only. All-optical operation of the optomagnonic cavities opens new possibilities for their applications for quantum technologies.

研究の動機と目的

• 磁性マイクロキャビティ内における垂直偏光定常スピン波（PSSWs）の特定次数をすべて光的手法で選択的に励起する方法の開発。
• 微弱な調整性、広帯域な励起スペクトル、および高次PSSWモードの励起が困難であるなどのマイクロ波励起法の限界を克服すること。
• ブレグミラーで挟まれた磁性誘電膜内の光キャビティモードを活用し、空間的に非一様なIFE場を生成すること。
• IFE場の波数を目標とするPSSWモードの波数と一致させることで、単一モードPSSW励起を実現すること。
• エネルギー効率が高く、小型化可能で調整可能な磁気デバイスの開発への道筋を提示すること — 量子技術分野への応用を想定。

提案手法

• 光磁気マイクロキャビティは、誘電体ブレグミラーの間に薄い磁性誘電膜（例：YIG）を配置し、ファブリ・ペロー共振器を形成することで、磁性層内に光モードを閉じ込める。
• 超短パルスの右回り円偏光レーザーが逆フォアザイド効果（IFE）を励起し、光の波数方向を向いた等価磁界 H_I FE ∝ Im(E × E*) を生成する。
• 光キャビティモードにより、膜厚方向に強く非一様な光強度およびIFE場の分布が生じ、構造化された等価磁界が形成される。
• IFE場プロファイルの波数が、励起されるPSSWモードの波数に一致することで、特定の高調波（n ≠ 0）の選択的励起が可能となる。
• 光学モードおよびIFE場分布の理論的モデリングには、伝送行列法と電磁界シミュレーションを用いる。
• スピン波の励起振幅 A_n は、IFE駆動の等価磁界を励起源として含むランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式を解くことで計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルスレーザーを用いて、磁性マイクロキャビティ内での高次垂直偏光定常スピン波（PSSW）モードを効率的に選択的に励起できるか？
• RQ2 逆フォアザイド効果（IFE）場の空間的分布が、PSSW励起の選択性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 磁性膜内の光キャビティモードが、IFE場をどれほど強化し、モード特異的な励起を可能にするか？
• RQ4 レーザー波長や入射角を変化させることで、異なる高調波次数をターゲットにしたPSSW励起を調整可能か？
• RQ5 マイクロ波アンテナや複雑な外部磁場配置を一切使用せずに、単一モードPSSW励起を達成できるか？

主な発見

• 光キャビティモードによって形状づけられた磁性膜内におけるIFE場分布は、特定のPSSWモードの波数と一致する空間的プロファイルを示し、選択的励起を可能にする。
• IFE場の波数と最も一致するPSSWモードのみが効率的に励起され、他のモードはほとんど励起されない。
• 本手法により、従来のマイクロ波アンテナでは非一様な磁場分布を要するため励起が困難な高次PSSWモード（n > 0）の選択的励起が可能となる。
• IFE場の波数がPSSWモードの波数と一致する際に励起効率が最大となり、共鳴的挙動が確認された。
• 本手法により、すべて光的手法で、調整可能で空間的に局在化したPSSW励起が実現され、帯域幅、分解能、モード選択性の面でマイクロ波励起法の限界を克服した。
• 理論的モデリングにより、光キャビティの閉じ込め効果がIFE場を強化し、励起スペクトルの精密制御を可能にすることが確認され、量子スピン波技術分野への応用が期待される。