[論文レビュー] Parametric Excitation and Instabilities of Spin Waves driven by Surface Acoustic Waves

Moritz Geilen, Roman Verba+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、磁気弾性結合を活用して、表面弾性波（SAWs）によって駆動されるCoFeB薄膜におけるスピン波のパラメトリック励起および不安定性を実験的に示した。マイクロ焦点型ブリルアン光散乱と磁気モーメンタムシミュレーションを用いて、四準粒子散乱による音響ポンプと強化された三準粒子分裂の二重不安定化メカニズムを同定し、従来手法と比較して64％も低いしきい値で効率的かつ非線形なマグノン生成を実現した。これにより、小型でエネルギー効率の高いマグノニクス論理デバイスの実現が期待される。

ABSTRACT

The parametric excitation of spin waves by coherent surface acoustic waves is demonstrated experimentally in metallic magnetic thin film structures. The involved magnon modes are analyzed with micro-focused Brillouin light scattering spectroscopy and complementary micromagnetic simulations combined with analytical modelling are used to determine the origin of the spin-wave instabilities. Depending on the experimental conditions, we observe spin-wave instabilities originating from different phonon-magnon and magnon-magnon scattering processes. Our results demonstrate that an efficient excitation of high amplitude, strongly nonlinear magnons in metallic ferromagnets is possible by surface acoustic waves, which opens novel ways to create micro-scaled nonlinear magnonic systems for logic and data processing that can profit from the high excitation efficiency of phonons using piezoelectricity.

研究の動機と目的

• 共鳴的表面弾性波（SAWs）を用いた金属的強磁性体薄膜におけるスピン波のパラメトリック励起を実験的に示すこと。
• SAW駆動磁気弾性結合の下でスピン波不安定性を引き起こす散乱メカニズムを特定・特徴付けること。
• 非線形マグノン励起のしきい値条件を特定し、フォノン-マグノンおよびマグノン-マグノン散乱プロセスの相乗作用を理解すること。
• 小型でエネルギー効率の高いデバイスにおいて、SAWを高効率で電圧制御可能な非線形マグノニクス系の励起源として使用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• マイクロ焦点型ブリルアン光散乱（μBLS）を用いて、高い空間分解能およびスペクトル分解能で周波数および動量空間におけるスピン波モードをマップした。
• 動的磁化応答をモデル化し、観測された不安定化メカニズムの妥当性を検証するために磁気モーメンタム・シミュレーションを実施した。
• レート方程式および三準粒子散乱理論に基づく解析的モデルを用いて、パラメトリック励起プロセスのしきい値振幅を計算した。
• インタディジタルトランスデューサー（IDT）を介してSAW振幅を調整し、スピン波スペクトルにおける非線形不安定性の発生境界を調査した。
• スピン波分散関数および自己磁化場から導出された結合パラメータを用いて、音響ポンプと三準粒子不安定性のしきい値を計算した。
• μBLSデータ、シミュレーション、解析モデルの統合的分析により、周波数非デジェネレートモード分裂を含む主要な不安定化チャネルを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属的強磁性体において表面弾性波（SAWs）によって駆動されたスピン波不安定性を引き起こす支配的非線形散乱メカニズムは何か？
• RQ2 SAWによって誘発される磁気弾性場はどのようにマグノンのパラメトリック励起を引き起こし、その不安定性のしきい値条件は何か？
• RQ3 四準粒子散乱および三準粒子散乱プロセスは、観測された非線形スピン波増幅にどの程度寄与しているか？
• RQ4 SAWの非ゼロ波数および周波数を用いることで、励起されたマグノンの波数および周波数スペクトルを制御可能か？
• RQ5 直接的なSAW-マグノン結合とその後続くマグノン-マグノン散乱の相乗作用は、全体の励起効率およびしきい値挙動にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 実験的に観測されたスピン波不安定性は、四準粒子散乱による音響ポンプと、三準粒子散乱によって強化された一次的パラメトリック過程の両方の組み合わせである。
• 音響ポンプの最小しきい値（a_th,min^SAW-SW）は、波数がk₁ = (8.1, -0.5) rad/μmおよびk₂ = (1.2, 0.5) rad/μmで、周波数がそれぞれ4.2 GHzおよび2.1 GHzの二次的マグノンモードで発生する。
• 三準粒子不安定性のしきい値（a_th,min^3-magnon）は、音響ポンププロセスのそれよりも約64％高いことが判明し、不安定化の始まりにおいて音響ポンプが支配的であることが示された。
• 二次モードの波数は磁気モーメンタム・シミュレーションの予測と異なるが、これは自己磁化場計算のわずかな不一致に起因すると考えられる。
• SAWの非ゼロ波数に起因する周波数非デジェネレートモード分裂により、マグノンスペクトルのチューナブル制御が可能となり、デバイス応用において重要な利点をもたらす。
• 結果から、SAW駆動磁気弾性結合が十分に強く、複雑な非線形マグノン-フォノン現象を支えることができ、金属的強磁性体において高振幅で強く非線形的なマグノンを電圧制御で効率的に励起可能であることが確認された。