[論文レビュー] Optical spin transfer in ferromagnetic semiconductors

J. Fernández‐Rossier, Alvaro S. Núñez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2003

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、円偏光レーザーパルスを用いた光学的スピン転送によって、(III,Mn)V強磁性半導体における集団的磁化のスピン角運動量を操作し、全光学的磁化ダイナミクス制御を可能にする理論的枠組みを提案する。Landau-Lifshitz方程式にスピン転送項を拡張することで、局所的レーザーパルスがナノ秒スケールの時間で磁化の強磁性軸間のスイッチングを誘発し、強磁性共鳴を引き起こすことを数値的に示した。

ABSTRACT

Circularly polarized laser pulses that excite electron-hole pairs across the band gap of (III,Mn)V ferromagnetic semiconductors can be used to manipulate and to study collective magnetization dynamics. The initial spin orientation of a photocarrier in a (III,V) semiconductors is determined by the polarization state of the laser. We show that the photocarrier spin can be irreversibly transferred to the collective magnetization, whose dynamics can consequently be flexibly controlled by suitably chosen laser pulses. As illustrations we demonstrate the feasibility of all optical ferromagnetic resonance and optical magnetization reorientation.

研究の動機と目的

• 円偏光光を用いたフェロ磁性半導体における光学的スピン転送の理論的枠組みを構築すること。
• 電流を用いずに、光励起キャリアのスピン極化を活用して集団的磁化ダイナミクスを制御すること。
• 適切に設計されたレーザーパルスを用いた全光学的強磁性共鳴および磁化再配向の実現可能性を示すこと。
• 拡張されたLandau-Lifshitz方程式を用いて、光励起キャリアから集団的磁化への不逆的角運動量転送をモデル化すること。
• 理論的予測を、特にスピンデコherenceおよび磁性異方性に関する実験的観察と結びつけること。

提案手法

• 光励起キャリアと集団的磁化間の不逆的角運動量交換を記述するため、スピン転送トルク項を追加したLandau-Lifshitz方程式を拡張する。
• 平均場モデルを用い、(Ga,Mn)Asにおいて$δ\cdot\vec{p}$ハミルトニアンと、伝導電子とMn d電子間の有効交換相互作用$J_{sd}$を組み込む。
• 系＋レザボア形式を用いたマスター方程式アプローチにより、光励起キャリアのスピン密度とデコherenceをモデル化し、レザボアはMnホール系のスピン波バースとして扱う。
• 2次摂動論法とFermiの黄金律を用いて、スピン波の放出・吸収過程を考慮し、スピンデコherence時間$T_2$を計算する。
• 拡張されたLandau-Lifshitz方程式を数値的に解き、レーザー励起下での磁化ダイナミクスをシミュレートする。
• 全エネルギー$\mathcal{E}(\vec{M})$におけるスピン軌道結合および結晶学的軸依存性を含め、磁性異方性を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光レーザーパルスは、(III,Mn)V強磁性半導体における集団的磁化への不逆的スピン転送を誘発できるか？
• RQ2 電流を用いずに、どの程度のレーザーパルスが強磁性共鳴および磁化再配向を制御できるか？
• RQ3 スピンデコherenceおよびスピン波散乱は、光学的スピン転送効率を制限する要因として果たす役割は何か？
• RQ4 光励起キャリアのスピン極化と集団的磁化ダイナミクスの間の相互作用は、拡張されたLandau-Lifshitz枠組みにおいてどのように現れるか？
• RQ5 この理論的モデルは、最近の(Ga,Mn)Asにおける光学的配向および磁化スイッチングの実験的観察を説明できるか？

主な発見

• 円偏光レーザーパルスは、(III,Mn)V半導体における光励起キャリアから集団的磁化への不逆的スピン角運動量転送を可能にする。
• 数値的シミュレーションにより、パルス幅、強度、伝搬方向を最適化したレーザーパルスが全光学的強磁性共鳴を誘発することが確認された。
• ナノ秒スケールの磁化の強磁性軸間スイッチングは、制御された光学的スピン転送により実現可能であり、全光学的磁化スイッチングが可能となる。
• マスター方程式フレームワーク内での2次摂動論法を用いてスピンデコherence時間$T_2$を計算し、スピン波の放出・吸収寄与を考慮した。
• 拡張されたLandau-Lifshitz方程式におけるスピン転送トルク項は、不逆的角運動量交換を的確に捉えており、磁化の動的制御を可能にする。
• 理論的モデルは、スピン軌道結合および結晶学的軸方向依存性に起因する磁性異方性を適切に記述しており、(Ga,Mn)Asにおける実験的観察と整合的である。