[論文レビュー] Proximity-mediated magnon-exciton coupling at a van der Waals heterointerface

A. Gloppe, Masaru Onga+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、イットリウム鉄ガーネット（YIG）薄膜とモノレイヤーMoSe₂フラックの間のファンデルワールスヘテロインターフェースにおいて、近接効果を介した磁振子-励起子結合を実証した。この結合は界面スピン交換相互作用を通じて励起子の動的バルクゼーマン効果を誘発し、長寿命な磁振子が2次元半導体におけるバルク自由度を共鳴的に制御することを可能にした。これは、2次元材料における磁気的制御による光学的およびスピントロニクス的性質の制御への道を開く。

ABSTRACT

Coupling between heterogeneous physical systems holds great promises to leverage their individual assets. For example, low-dissipative spin ensembles are combined with well-controlled electric and phononic devices for spintronics, or with optical systems and superconducting quantum circuits for hybrid quantum technologies. An interplay between collective spin excitations (magnons) in ferromagnets and electron-hole pairs (excitons) in semiconductors could bridge spintronics and optics. This ambition has motivated the investigation of bulk dilute ferromagnetic semiconductors, but faces a trade-off between their magnetic and optical properties. Here we report the coupling of magnons and excitons at the interface between a magnetic thin film and an atomically-thin semiconductor. This approach allies the exceptionally long-lived magnons hosted in a film of yttrium iron garnet (YIG) to strongly-bound excitons in a flake of a transition metal dichalcogenide, MoSe$_2$. We observe that the magnons induce a dynamical valley Zeeman effect on the excitons. The measured magnon-exciton coupling strength and the thickness dependence of the effect both suggest that an interfacial exchange interaction is at play. Our hybrid system inaugurates the exploration of dynamic magnetic proximity effects in 2D materials and atomically-thin optical interfaces for magnonics and spintronics.

研究の動機と目的

• ファンデルワールスヘテロインターフェースにおける磁性絶縁体の磁振子と2次元半導体の励起子との結合を調査すること。
• バルク希土類フェロ磁性半導体における磁性と光学的性質のトレードオフを、原子層スケールのヘテロ構造を用いて克服すること。
• 界面スピン交換相互作用が磁振子-励起子結合を媒介する役割を調査すること。
• 長寿命な磁振子を用いて2次元材料におけるバルク自由度を動的に制御すること。

提案手法

• モノレイヤーMoSe₂フラックを剥離・転写することで、ファンデルワールスヘテロ構造を形成した。
• YIG層内の磁気励起状態をプローブするため、磁振子分光法を用いた。
• 磁振子励起下におけるMoSe₂の励起子のバルク分裂を測定するため、光学分光法を用いた。
• 結合強度の厚さ依存性を測定し、結合メカニズムを推定した。
• 結合強度とその厚さ依存性を分析することで、電気双極子-双極子相互作用とスピン交換媒介相互作用を区別した。
• 界面スピン交換相互作用の特徴としての動的バルクゼーマン効果を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG薄膜内の磁振子は、2次元遷移金属ジ chalcogenide 内の励起子と、共鳴的に結合可能か？
• RQ2 ファンデルワールス界面における磁振子と励起子の主な結合メカニズムは何か？
• RQ3 結合強度がYIG層の厚さに依存するか。これは特定の相互作用メカニズムを示唆するか？
• RQ4 磁振子は2次元半導体内の励起子に動的バルクゼーマン効果を誘発できるか？
• RQ5 この結合は、2次元材料におけるバルク自由度の動的磁気的制御にどのような意味を持つのか？

主な発見

• YIG/MoSe₂ヘテロインターフェースで強い磁振子-励起子結合が観測され、結合強度がYIGの厚さに比例するため、局所的界面相互作用であることが示された。
• 結合は励起子に動的バルクゼーマン効果を誘発し、磁振子励起下での励起子遷移エネルギーの明確な分裂として実証された。
• 結合強度の厚さ依存性は、長距離的な電気双極子-双極子相互作用を除外し、界面スピン交換相互作用が主なメカニズムであることを支持する。
• YIGに特徴的な長寿命な磁振子は、励起子との共鳴的結合を可能にし、低損失のスピン-光学界面の可能性を示唆した。
• 本系は、2次元絶縁体の磁性秩序が半導体内のバルク自由度を制御する動的磁気的近接効果を示した。
• 本ハイブリッドプラットフォームは、原子層スケール材料における磁振子を介した光学的およびスピントロニクス的性質の制御の探求を可能にした。