[論文レビュー] Phononic Switching of Magnetization by the Ultrafast Barnett Effect

C. S. Davies, F. G. N. Fennema+4 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Magnetic properties of thin films被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、パラ磁性基板において共振励起された円偏光の光学格子振動によって駆動される超高速 Barnett 効果により得られる磁化が、基板に取り付けられたヘテロ構造の磁気状態を永久に反転させることができ、スイッチングはフォノンの手性によって制御される。

ABSTRACT

The Barnett effect, discovered more than a century ago, describes how an inertial body with otherwise zero net magnetic moment acquires spontaneous magnetization when mechanically spinning. Breakthrough experiments have recently shown that an ultrashort laser pulse destroys the magnetization of an ordered ferromagnet within hundreds of femtoseconds, with the spins losing angular momentum to circularly-polarized optical phonons as part of the ultrafast Einstein-de Haas effect. However, the prospect of using such high-frequency vibrations of the lattice to reciprocally switch magnetization in a nearby magnetic medium has not yet been experimentally explored. Here we show that the spontaneous magnetization temporarily gained via the ultrafast Barnett effect, through the resonant excitation of circularly-polarized optical phonons in paramagnetic substrates, can be used to permanently reverse the magnetic state of the substrate-mounted heterostructure. With the handedness of the phonons steering the direction of magnetic switching, the ultrafast Barnett effect offers a selective and potentially universal method for exercising ultrafast non-local control over magnetic order.

研究の動機と目的

• 高周波格子振動を用いた超高速な非局所的磁性秩序の制御を動機づける。
• 超高速 Barnett 効果がヘテロ構造における永久磁化スイッチングを誘発できることを示す。
• 円偏光オプトカル振動がフォノンの手性を介して磁性状態を選択的に操作できるかを検討する。

提案手法

• パラ磁性基板における円偏光光学格子振動の共振励起。
• 超高速 Barnett 効果による自発磁化の誘導。
• フォノン駆動磁化を基板搭載ヘテロ構造に結合させてスイッチングを達成する。
• フォノン手性により制御された磁性状態の永久反転を観察。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共振円偏光フォノンによって駆動される超高速 Barnett 効果は、近傍の磁性媒体に永久的な磁化変化を引き起こすことができるか。
• RQ2 磁気スイッチングの方向は、励起されたフォノンの手性によって制御できるか。
• RQ3 このフォノン介在機構は、非局所的磁気制御の普遍的で超高速な方法を提供するか。

主な発見

• 超高速 Barnett 効果によって得られる自発磁化は、ヘテロ構造の磁気状態を永久に反転させるのに利用できる。
• スイッチングの方向は励起されたフォノンの手性に操られる。
• 本手法は、超高速な非局所的磁性秩序制御に対して選択的で、潜在的には普遍的なアプローチを提供する。