[論文レビュー] Petahertz Spintronics

Florian Siegrist, Julia Anthea Gessner+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2018

Quantum optics and atomic interactions参考文献 33被引用数 66

ひとこと要約

本論文は、近接1サイクルのレーザーパルスを用いたアト秒スケールの強磁性層におけるスピン動力学制御を示し、アト秒磁気円偏光二色法（atto-MCD）を導入して光励起によるスピンおよび軌道運動量移動を明らかにし、ペタヘルツ級クロック周波数のスピントロニクスを実現する。

ABSTRACT

The enigmatic coupling between electronic and magnetic phenomena was one of the riddles propelling the development of modern electromagnetism. Today, the fully controlled electric field evolution of ultrashort laser pulses permits the direct and ultrafast control of electronic properties of matter and is the cornerstone of light-wave electronics. In sharp contrast, because there is no first order interaction between light and spins, the magnetic properties of matter can only be affected indirectly on the much slower tens-of-femtosecond timescale in a sequence of optical excitation followed by the rearrangement of the spin structure. Here we record an orders of magnitude faster magnetic switching with sub-femtosecond response time by initiating optical excitations with near-single-cycle laser pulses in a ferromagnetic layer stack. The unfolding dynamics are tracked in real-time by a novel attosecond time-resolved magnetic circular dichroism (atto-MCD) detection scheme revealing optically induced spin and orbital momentum transfer (OISTR) in synchrony with light field driven charge relocation. In tandem with ab-initio quantum dynamical modelling, we show how this mechanism provides simultaneous control over electronic and magnetic properties that are at the heart of spintronic functionality. This first incarnation of attomagnetism observes light field coherent control of spin-dynamics in the initial non-dissipative temporal regime and paves the way towards coherent spintronic applications with Petahertz clock rates.

研究の動機と目的

• 数十フェムト秒を超える超高速光波による磁性特性の制御を追求する動機づけ。
• 超短パルスレーザー場によって駆動される強磁性スタックでサブフェムト秒の磁気スイッチングを実証する。
• 実時間でスピンと軌道運動量移動を追跡するために、アト秒時間分解磁気円二色性（atto-MCD）を開発・適用する。

提案手法

• 近似1サイクルのレーザーパルスで強磁性層スタックを励起して光励起を開始する。
• アト秒時間分解磁気円二色性（atto-MCD）を用いて、続発するダイナミクスをリアルタイムで追跡する。
• 実験的なアト秒計測と第一原理量子動力学モデリングを組み合わせて、スピンと軌道運動量移動（OISTR）を解釈する。
• 光場駆動荷電再配置と磁気応答の結合を分析し、スピントロニクス機能を理解する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期の非散逸的時間領域において、光場コヒーレント制御によるスピン動力学を達成できるか？
• RQ2 超高速励起下で、光学的に誘発されるスピンと軌道運動量移動が電荷再配置と同調してどのように発生するのか？
• RQ3 OISTRがスピントロニクスに関連する電子的・磁性的特性を同時に制御するうえで、どのような含意を持つか？

主な発見

• 強磁性層スタックでサブフェムト秒磁気スイッチングが観察される。
• アト秒時間分解MCDは、光場駆動の電荷再配置と同期した光学的に誘発されたスピンおよび軌道運動量移動（OISTR）を検出する。
• 第一原理量子動力学モデリングは、電子的および磁気的性質の制御を結びつける機構を支持する。
• 初期の非散逸領域における光場コヒーレント制御によるスピン動力学で、アットマグネタリズムの最初の発現を実証する。
• ペタヘルツ級クロック周波数で動作するコヒーレントなスピントロニクス応用への道を開く。