[論文レビュー] Ultrafast demagnetization in a ferrimagnet under electromagnetic field funneling

Kshiti Mishra, Agne Ciuciulkaite+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、プラズモンナノリングアンテナが、20 nm未満の焦点領域に電磁エネルギーを集中させることで、TbCoフェリ磁性薄膜における超高速でナノスケールに局在化した磁化消去を実現することを示した。共鳴励起は、非共鳴励起と比較して、最大3倍まで全体の磁気光学的応答を低下させた。これは、近場の局在化とエネルギーの集中によるものであり、決定的でナノスケールの全光的磁化スイッチングへの重要な一歩である。

ABSTRACT

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研究の動機と目的

• 次世代の磁気メモリのため、フェリ磁性薄膜における超高速なナノスケールの磁化消去を実現すること。
• プラズモニックナノアンテナが、全光的磁化スイッチングの時間的ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• ナノリングアンテナによる共鳴励起が、強化された場の局在化により、全体の磁化消去応答を低減できるかどうかを特定すること。
• シミュレーションと実験を用いて、電磁場の集中がナノスケールでのポンプフラクチュアルの集中に果たす役割を検証すること。
• ナノスケールで決定的で、超高速かつエネルギー効率の良い全光的スイッチングへの道筋を確立すること。

提案手法

• 穴マスクコロイダルリソグラフィーを用いて、20 nmの内径、70 nmの外径、10 nmの高さの銀ナノリング形状のプラズモンナノアンテナを20 nmのTbCo合金膜上に作製した。
• 800 nm（プローブ）と950 nm（共鳴ポンプ）または650 nm（非共鳴ポンプ）の100 fs Ti:サファイアレーザーパルスを用いた二色パルスプローブ設定を採用し、両者とも入射面に平行な偏光とした。
• 各ポンプパルスの前に、磁化状態をリセットするために、試料に垂直方向の静磁場を印加した時間分解磁気光学カー効果測定を実施した。
• 共鳴および非共鳴励起下での散乱場および表面電荷分布をモデリングするため、COMSOLで有限要素法（FEM）を用いた三次元電磁界シミュレーションを実施した。
• ナノリングの結合モード（920 nm）および反結合モード（480 nm）のプラズモンモードを特定するために、光学消光スペクトルを測定した。
• 800 nmでの偏光ファラデーゲオメトリを用いて静的磁気ヒステリシスループを特徴付け、垂直磁気異方性の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモンナノリングアンテナは、フェリ磁性膜の20 nm未満の領域に効果的に電磁エネルギーを集約できるか？
• RQ2 結合プラズモンモードの共鳴励起は、非共鳴ポンプと比較して、全体の磁化消去ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 ナノスケールでの場の局在化は、フェリ磁性膜のマクロな測定磁気光学的応答をどの程度低減させるか？
• RQ4 電磁界シミュレーションは、共鳴励起下での磁化消去の低減を定量的に裏付けることができるか？
• RQ5 近場増幅とエネルギーの集中は、ナノスケールでの超高速で局在化した磁化スイッチングを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 950 nmでの結合プラズモンモードの共鳴励起は、650 nmでの非共鳴ポンプと比較して、全体の磁気光学的応答を最大3倍まで低下させた。
• 磁化消去の低減は、ポンプフラクチュアルのナノスケールでの局在化に起因し、エネルギーの大部分がナノリングの中心20 nm領域に集中しているためであり、周囲の膜はほとんど影響を受けない。
• 電磁界シミュレーションにより、ナノリング中心部での強い場の集中と、散乱場が下部のTbCo膜へのエネルギー集中が確認され、非共鳴照明と比較して強度増幅が約2倍であった。
• エネルギーの集中効果は、TbCo膜の深さ15–20 nmで飽和し、20 nmの膜厚がこの効果を観察するのに最適であることが示された。
• 低エネルギーでモード体積が小さい結合モードは、ナノスケール領域への効率的なエネルギー集中を可能にし、将来的なナノスケール全光的スイッチングに適していることが示された。
• 本研究の結果は、プラズモニックナノアンテナが超高速磁化消去プロセスを制御・局在化できることを示しており、ナノスケールで決定的で全光的磁化スイッチングを実現するための実用的ルートを提供する。