[論文レビュー] Topological Inverse Faraday Effect in Weyl Semimetals

Yang Gao, Chong Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、運動量空間におけるヘリカルスピンテクスチャとワイルノードのヘリシティの相乗効果によって駆動される、ワイル半金属における位相的逆ファラデー効果を提案する。この効果は周波数に依存しない光誘発磁化を生じさせ、位相的保護に起因し、50 fsのレーザーパルスを用いて120 fs未塔の超高速全光磁化スイッチングを実現可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate that in Weyl semimetals, the momentum-space helical spin texture can couple to the chirality of the Weyl node to generate a frequency-independent magnetization in response to circularly polarized light through the inverse Faraday effect. This frequency-independence is rooted in the topology of the Weyl node. Since the helicity and the chirality are always locked for Weyl nodes, this effect is not subject to any symmetry constraint. Finally, we show that the photoinduced frequency-independent magnetization is robust against lattice effect and has a magnitude large enough to realize ultrafast all-optical magnetization switching below picosecond.

研究の動機と目的

• ワイル半金属における逆ファラデー効果（IFE）における運動量空間におけるヘリカルスピンテクスチャの役割を調査すること。
• ワイル半金属におけるIFEが周波数に依存せず、位相的に保護されているかどうかを特定すること。
• 格子効果および対称性制約に対する光誘発磁化の頑健性を評価すること。
• 本効果を用いた超高速全光磁化スイッチングの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 2次応答理論を用いた理論的分析により、逆ファラデーテンソルの対角成分 β_zz を導出する。
• n=m極限におけるベリー曲率（Ω_z）とスピン行列要素差（Δs_z）の積から β_zz を導出する。
• 有効な低エネルギーハミルトニアンを用いて、ヘリカルスピンテクスチャを有するワイルノードをモデル化し、β_zz を定量的に評価する。
• 格子モデルシミュレーションを用いて、格子効果に対する周波数に依存しないIFEの頑健性をテストする。
• スピン緩和時間 τ₀ を用いたレート方程式を用いた磁化ダイナミクスの体系的モデリング。
• 交換結合 H = J S_loc · s_el からの有効磁場を用いて、スイッチング時間を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワイル半金属におけるヘリカルスピンテクスチャは、周波数に依存しない逆ファラデー効果を誘発できるか？
• RQ2 ワイル半金属における光誘発磁化は、位相的に保護されており、格子効果に対しても頑健か？
• RQ3 ワイルノードにおけるキラルさとヘリシティの併存効果により、対称性制約なしにIFEが生じるか？
• RQ4 本IFEはピコ秒未塔の超高速全光磁化スイッチングを実現できるか？

主な発見

• ワイル半金属における逆ファラデー効果は、ワイルノードのキラルさとヘリシティの位相的保護に起因し、周波数に依存しない。
• 光誘発磁化は格子効果に対して頑健であり、光の周波数の微調整を必要としない。
• IFEテンソルの対角成分 β_zz は対称性保護を受けておらず、非中心対称および磁性ワイル半金属の両方で存在可能である。
• 1 mJ/cm² のレーザーフルエンス下で、単位セルあたり約0.23 μB の誘発磁化が達成され、スイッチングに必要な有効磁場を生成するのに十分である。
• 50 fs のレーザーパルスを用いて、約120 fs で超高速磁化スイッチングが実現可能であり、光スピントロニクス応用の実現可能性を示している。
• 格子モデルのシミュレーションにより、低エネルギー有効理論と良好な一致が得られ、IFE応答において n=m 遷移の支配的役割が裏付けられた。