[論文レビュー] Terahertz spin dynamics in rare-earth orthoferrites

Xinwei Li, Dasom Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、希土類 orthoferrite におけるテラヘルツ（THz）スピンダイナミクスをレビューし、スピン励起のTHz分光法、非平衡状態における超高速レーザー制御、共鳴THz磁気モードの制御、および量子光学現象（例えば、Dicke超放射相転移）との関連に焦点を当てる。主な貢献は、THzスピン現象を反強磁性スピントロニクス応用および量子位相工学に結びつける統一的枠組みを提示することにある。

ABSTRACT

Recent interest in developing fast spintronic devices and laser-controllable magnetic solids has sparked tremendous experimental and theoretical efforts to understand and manipulate ultrafast dynamics in materials. Studies of spin dynamics in the terahertz (THz) frequency range are particularly important for elucidating microscopic pathways toward novel device functionalities. Here, we review THz phenomena related to spin dynamics in rare-earth orthoferrites, a class of materials promising for antiferromagnetic spintronics. We expand this topic into a description of four key elements. (1) We start by describing THz spectroscopy of spin excitations for probing magnetic phase transitions in thermal equilibrium. While acoustic magnons are useful indicators of spin reorientation transitions, electromagnons that arise from dynamic magnetoelectric couplings serve as a signature of inversion-symmetry-breaking phases at low temperatures. (2) We then review the strong laser driving scenario, where the system is excited far from equilibrium and thereby subject to modifications to the free energy landscape. Microscopic pathways for ultrafast laser manipulation of magnetic order are discussed. (3) Furthermore, we review a variety of protocols to manipulate coherent THz magnons in time and space, which are useful capabilities for antiferromagnetic spintronic applications. (4) Finally, new insights on the connection between dynamic magnetic coupling in condensed matter and the Dicke superradiant phase transition in quantum optics are provided. By presenting a review on an array of THz spin phenomena occurring in a single class of materials, we hope to trigger interdisciplinary efforts that actively seek connections between subfields of spintronics, which will facilitate the invention of new protocols of active spin control and quantum phase engineering.

研究の動機と目的

• 希土類 orthoferrite におけるTHzスピン励起を理解し、磁気相転移のプローブとしてマッピングすること。
• 非平衡状態に近い状態における超高速レーザー駆動による磁気秩序の制御を探索すること。
• スピントロニクス応用を目的として、時間的・空間的共鳴THz磁気モードの制御プロトコルを構築すること。
• 凝縮系における動的磁気結合と、量子光学におけるDicke超放射相転移との間の関係を確立すること。
• スピントロニクス、超高速光学、および量子位相工学を結ぶ学際的研究を促進すること。

提案手法

• 熱平衡状態におけるスピン励起をプローブするためのテラヘルツ分光法を用い、音響モードと電磁モードを同定する。
• 強いレーザー駆動の状況を分析し、自由エネルギーの形状を変化させ、非平衡磁気状態を誘発する。
• 時間的・空間的分解能を有するプロトコルを用いて、共鳴THz磁気モードを生成・制御する。
• orthoferrite における動的磁気結合と、量子光学におけるDicke超放射相転移との理論的類似性を示す。
• 実験的観察と理論的モデルを統合し、磁気電気結合およびスピン再配列転移を記述する。
• 既存の実験的および理論的枠組みをレビューし、能動的スピン制御および量子位相工学のための道筋を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz分光法の測定は、希土類 orthoferrite における磁気相転移をどのように明らかにするか？
• RQ2 これらの材料における超高速レーザーによる磁気秩序制御を可能にする微視的メカニズムは何か？
• RQ3 スピントロニクス応用を目的として、時間的・空間的共鳴THz磁気モードをどのように制御できるか？
• RQ4 凝縮系における動的磁気結合と、量子光学におけるDicke超放射相転移との間の本質的関係は何か？
• RQ5 この学際的枠組みから、新たな能動的スピン制御および量子位相工学プロトコルはどのように生み出されるか？

主な発見

• 音響モードは、希土類 orthoferrite におけるスピン再配列転移の信頼できる指標である。
• 動的磁気電気結合に起因する電磁モードは、低温における反転対称性の破れを示す相を示す。
• 強いレーザー励起は、系を非平衡状態に駆動し、自由エネルギーの形状を変化させ、超高速磁気制御を可能にする。
• 共鳴THz磁気モードは時間的・空間的両面で制御可能であり、反強磁性スピントロニクス素子への応用が期待される。
• orthoferrite における動的磁気結合と、量子光学におけるDicke超放射相転移との間には深い類似性が確立される。
• 本レビューは、新規スピン制御プロトコルおよび量子位相工学への学際的取り組みの基盤を提供する。