[論文レビュー] Time-domain observation of ballistic orbital-angular-momentum currents with giant relaxation length in tungsten

Tom S. Seifert, Dongwook Go+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、タングステンにおけるバルトロン軌道角運動量（OAM）電流の初回時間領域観測を実証し、約80 nmの巨大な緩和長と約0.1 nm/fsの低速な伝搬速度を示した。Ni|W|SiO2異種積層構造における超短パルスレーザー励起を用いて、W/SiO2界面で発生するテラヘルツ帯電流パルスの遅れと幅がW膜厚に比例することを検出したことにより、長距離OAM輸送と、逆軌道Rashba-Edelstein効果による電荷電流への効率的変換が確認された。

ABSTRACT

The emerging field of orbitronics exploits the electron orbital momentum $ extit{L}$. Compared to spin-polarized electrons, $ extit{L}$ may allow magnetic-information transfera with significantly higher density over longer distances in more materials. However, direct experimental observation of $ extit{L}$ currents, their extended propagation lengths and their conversion into charge currents has remained challenging. Here, we optically trigger ultrafast angular-momentum transport in Ni|W|SiO$_2$ thin-film stacks. The resulting terahertz charge-current bursts exhibit a marked delay and width that grow linearly with W thickness. We consistently ascribe these observations to a ballistic $ extit{L}$ current from Ni through W with giant decay length (~80 nm) and low velocity (~0.1 nm/fs). At the W/SiO$_2$ interface, the $ extit{L}$ flow is efficiently converted into a charge current by the inverse orbital Rashba-Edelstein effect, consistent with ab-initio calculations. Our findings establish orbitronic materials with long-distance ballistic $ extit{L}$ transport as possible candidates for future ultrafast devices and an approach to discriminate Hall- and Rashba-Edelstein-like conversion processes.

研究の動機と目的

• バルク材料における軌道角運動量（OAM）電流のボールスティック輸送を実験的に証明すること。
• タングステンにおけるOAM電流の緩和長および伝搬速度を測定すること。
• 逆軌道Rashba-Edelstein効果を介してOAM電流と測定可能な電荷電流パルスとの直接的関連を確立すること。
• 従来のホール効果またはスピンEdelstein効果に類似した効果とは異なる、OAMに基づく電流生成機構を区別すること。

提案手法

• Ni|W|SiO2薄膜異種積層構造における角運動量輸送を誘発するためのフェムト秒レーザーパルスを用いた超高速光励起。
• W/SiO2界面で生成された電荷電流パルスを検出するための時間分解テラヘルツ放射分光法。
• 信号の遅れおよび持続時間と伝搬距離との関係を調査するため、タングステン膜厚を系統的に変化させた。
• 逆軌道Rashba-Edelstein効果をモデル化し、観測された電流変換メカニズムの妥当性を検証するためのab-initio計算。
• OAM電流の緩和長および速度を抽出するため、信号遅れおよび幅がW膜厚に従ってどのように変化するかを分析した。
• 強いスピン軌道結合を有するNiをOAM電流注入源として用い、電子に軌道的角運動量を生成可能であることを活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク金属たるタングステンにおいて、時間分解的にボールスティック軌道角運動量電流を実験的に観測できるか？
• RQ2 超高速励起下におけるタングステン内OAM電流の緩和長および伝搬速度はいかほどか？
• RQ3 異種界面でOAM電流が測定可能な電荷電流にどの程度効率的に変換可能か？
• RQ4 観測された信号がタングステン膜厚にどのように依存するか。これは輸送メカニズムにどのような示唆をもたらすか？
• RQ5 同一系において、逆軌道Rashba-Edelstein効果は、他の電荷電流生成メカニズムと区別可能か？

主な発見

• テラヘルツ帯電荷電流パルスの遅れおよび幅がタングステン膜厚に線形に増加することから、軌道角運動量電流のボールスティック輸送が示された。
• タングステン内OAM電流の観測された緩和長は約80 nmであり、通常のスピン拡산長よりも顕著に長い。
• OAM電流の伝搬速度は約0.1 nm/fsと推定され、遅いが一貫性のある輸送を示している。
• 電荷電流パルスはab-initio計算により確認された逆軌道Rashba-Edelstein効果と整合的である。
• 信号の特徴がW膜厚に線形に比例するという事実は、拡散的輸送ではなくボールスティック輸送の強力な証拠を示している。
• 本研究の結果は、非磁性金属を用いた軌道的角運動量を介した長距離・超高速情報伝送の実現可能性を示している。