[論文レビュー] Time-resolving magnetic scattering on rare-earth ferrimagnets with a bright soft-X-ray high-harmonic source

G. Fan, Katherine Légaré+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Crystallography and Radiation Phenomena参考文献 42被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、テーブトップ型の高調波生成（HHG）光源を用いて、TbのN端（155 eV）における時間分解型X線共鳴磁気散乱（tr-XRMS）を初めて実現した。これにより、Co/Tbフェリマグネティック合金における磁気ドメインのダイナミクスをフェムト秒およびナノメートルスケールで解明可能となった。この手法は、テラワット級、kHz繰り返しレートのYb:CaF₂レーザーを用いてヘリウムガス内で位相一致を達成したHHGにより、>2×10⁹ 光子/s/1%帯域幅の高い光子フラックスを実現し、スピン転送トルク効果と同等の速度で超高速な磁気ドメイン拡大を明らかにした。

ABSTRACT

We demonstrate the first time-resolved X-ray resonant magnetic scattering (tr-XRMS) experiment at the N edge of Tb at 155 eV performed using a tabletop high-brightness high-harmonic generation (HHG) source. In contrast to static X-ray imaging applications, such optical-pump X-ray-probe studies pose a different set of challenges for the ultrafast driver laser because a high photon flux of X-rays resonant with the N edge must be attained at a low repetition rate to avoid thermal damage of the sample. This laboratory-scale X-ray magnetic diffractometer is enabled by directly driving HHG in helium with terawatt-level 1 um laser fields, which are obtained through pulse compression after a high-energy kHz-repetition-rate Yb:CaF2 amplifier. The high peak power of the driving fields allows us to reach the fully phase-matching conditions in helium, which yields the highest photon flux (>2x10^9 photons/s/1% bandwidth) in the 100-220 eV spectral range, to the best of our knowledge. Our proof-of-concept tr-XRMS measurements clearly resolve the spatio-temporal evolution of magnetic domains in Co/Tb ferrimagnetic alloys with femtosecond and nanometer resolution. In addition to the ultrafast demagnetization, we observe magnetic domain expansion with a domain wall velocity similar to that induced by spin transfer torque. The demonstrated method opens up new opportunities for time-space-resolved magnetic scattering with elemental specificity on various magnetic, orbital and electronic orderings in condensed matter systems.

研究の動機と目的

• 高調波生成（HHG）を用いた、時間分解型磁気材料研究のためのコンact、テーブトップ型X線磁気回折計の開発。
• 超高速ポンプ・プローブ実験における試料の熱的損傷を避けるために、低繰り返しレートで高フラックスの共鳴的ソフトX線を供給する課題の克服。
• 特にCo/Tb合金を対象として、レアアースフェリマグネティック材料における時間・空間・要素特異的磁気散乱の実現。
• 磁気ドメインの進化および消磁ダイナミクスをフェムト秒およびナノメートルスケールで解像する。

提案手法

• 高エネルギー、kHz繰り返しレートのYb:CaF₂レーザー増幅器が、1030 nmのパルスを生成する。
• パルスを100 fs未満に圧縮することで、効率的な高調波生成（HHG）に適したテラワット級のピークパワーを達成する。
• ヘリウムガス中で完全な位相一致を実現した状態で直接HHGを駆動し、100–220 eVの範囲で明るく、コherentなソフトX線を生成する。
• Co/Tbフェリマグネティック薄膜における共鳴磁気散乱のため、X線ビームをTbのN端（155 eV）にチューニングする。
• 時間分解ポンプ・プローブ設定では、光学レーザーで試料を励起し、HHGX線でフェムト秒時間分解能を達成した磁気応答をプローブする。
• 磁気ドメインダイナミクスは共鳴X線回折によりプローブされ、要素特異性と高い空間分解能が実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テーブトップ型高調波光源が、TbのN端（155 eV）で十分なX線フラックスを供給でき、超高速ポンプ・プローブ実験における試料の熱的損傷を回避できるか？
• RQ2 光学励起後のCo/Tbフェリマグネティック合金における磁気ドメインの時間的進化はいかなるものか？
• RQ3 励起状態におけるドメインウォール速度は、スピントロニクスデバイスにおけるスピン転送トルクによって誘発されるものと比較してどうか？
• RQ4 消磁およびドメイン拡大を含む超高速磁気ダイナミクスをフェムト秒およびナノメートルスケールで解像できるか？
• RQ5 複雑な相関電子系材料における磁気秩序のプローブにおいて、要素特異的共鳴散乱の役割は何か？

主な発見

• HHG光源は、100–220 eVのスペクトル領域で、これまでに報告された中で最高の光子フラックス（>2×10⁹ 光子/s/1%帯域幅）を達成した。
• 本システムは、ラボスケールの装置でTbのN端（155 eV）における時間分解X線共鳴磁気散乱（tr-XRMS）を実現した。
• フェムト秒スケールで超高速消磁が観測され、先行研究と整合的であった。
• ドメインウォール速度がスピン転送トルク効果によって誘発されるものと同等の速度で、ドメイン拡大が解像された。
• 本手法は要素特異性とナノメートルスケールの空間分解能を提供し、磁気秩序の時間・空間分解能を有する研究が可能となった。
• 本結果は、明るくテーブトップ型のHHG光源を用いた、凝縮 Matter 系における複雑な磁気現象のプローブの可能性を示した。