[論文レビュー] Ultrafast element-resolved magneto-optics using a fiber-laser-driven extreme ultraviolet light source

Christina Möller, Henrike Probst+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 51被引用数 20

ひとこと要約

本論文では、超高速で要素分解可能な磁気光学カー効果（T-MOKE）測定を可能にする、高繰り返し周波数のファイバー・レーザー駆動型極端紫外線（EUV）光源を提案する。300 kHzのYbファイバー・レーザーを用いて高次調波生成（HHG）を駆動することで、高い信号対雑音比と安定したEUV放射率を達成し、10 fsの時間分解能と58 fsの時間分解能を有する、薄膜中のFeおよびNiの磁化消去ダイナミクスを精密に時間およびエネルギー分解能で測定可能となった。この手法により、Fe19Ni81パーマニューオイの要素特異的磁化消去遅れと振幅を解明し、10 psの時間窓内で相対的ダイナミクスの10 fs未塔の精度を達成した。

ABSTRACT

We present a novel setup to measure the transverse magneto-optical Kerr effect in the extreme ultraviolet spectral range at exceptionally high repetition rates based on a fiber laser amplifier system. This affords a very high and stable flux of extreme ultraviolet light, which we use to measure element-resolved demagnetization dynamics with unprecedented depth of information. Furthermore, the setup is equipped with a strong electromagnet and a cryostat, allowing measurements between 10 and 420 K using magnetic fields up to 0.86 T. The performance of our setup is demonstrated by a set of temperature- and time-dependent magnetization measurements showing distinct element-dependent behavior.

研究の動機と目的

• 低繰り返し周波数のTi:Sapphireレーザーに起因する制限を克服するため、超高速磁気光学測定に適した高繰り返し周波数・高信号のEUV光源を開発すること。
• 高次調波生成（HHG）を用いて、極端紫外線（EUV）領域における要素分解可能で時間およびエネルギー分解能を持つT-MOKE測定を実現すること。
• 100–300 kHzの繰り返し周波数で高出力Ybファイバー・レーザー・システムを活用し、高い信号対雑音比と安定したデータ取得を実現すること。
• 温度および磁場依存性を含め、高時間および高スペクトル分解能を有する磁性材料における超高速磁化消去ダイナミクスを測定すること。
• Fe19Ni81パーマニューオイや二ペロブスカイト型LNMOのような複雑系において、要素特異的磁性ダイナミクスを解明できる能力を実証すること。

提案手法

• Ybファイバー・レーザー・システムにより、1030 nm、300 kHz、40 fs未満のパルスを生成し、自己位相変調およびチープド・ミラー圧縮を用いて最大150 µJのパルスエネルギーを達成する。
• 強力な赤外パルスをアルゴンガスジェットで発生させることで高次調波を生成し、Fe、Co、Ni、MnのM2,3端末をカバーする30–72 eVのEUV光を発生させる。
• 斜め入射板（GIP）とAlフィルターを用いてEUVビームと基本波の分離を行い、B4C被膜を施したトロイダルミラーでビームを試料に集光する。
• 横方向磁気光学カー効果（T-MOKE）は、反対方向の磁化状態における強度差を測定し、反射強度から磁気非対称性 A = (I↑ - I↓)/(I↑ + I↓) を計算する。
• トロイダルミラー、回折格子、CCDカメラを備えたカスタム分光器により、反射されたEUV光をエネルギー分解能で検出する。
• 冷却装置（10–420 K）と強力な電磁石（最大0.86 T）を統合することで、温度および磁場依存測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高繰り返し周波数のファイバー・レーザー駆動EUV光源は、高い信号対雑音比を有する要素分解可能で時間分解能のあるT-MOKEを実現できるか？
• RQ2 室温下におけるFe19Ni81パーマニューオイ薄膜におけるFeとNiの相対的磁化消去遅れはどの程度か？
• RQ3 長時間にわたる測定において、超高速磁化消去ダイナミクスはどの程度安定的かつ再現可能か？
• RQ4 磁気非対称性信号は、複雑な磁性系における要素特異的寄与をどの程度解像できるか？
• RQ5 高い時間分解能を有する本システムは、磁化消去過程における10 fs未塔のダイナミクスを解像できるか？

主な発見

• ファイバー・レーザー駆動EUV光源は最大300 kHzの繰り返し周波数を達成し、1時間の測定で高信号・低雑音のデータ取得が可能となった。
• Fe19Ni81パーマニューオイにおいて、Ni（137±10 fs 開始）とFe（185±21 fs 開始）の間で10 fsの磁化消去遅れを解明し、相対的タイミングの10 fs未塔の精度を達成した。
• 磁気非対称性信号は、NiのM端末で27.6%の分顕磁化（ΔAm）と19.9%の再磁化（ΔAr）を示し、τm = 147±4 fs および τr = 1.67±0.04 ps を得た。
• Feについては、ΔAm = 25.3% および ΔAr = 18.2% のフィットが得られ、τm = 185±21 fs および τr = 1.96±0.24 ps であり、Niに比べて磁化消去および再磁化が遅いことが示された。
• 12時間の測定データは優れた再現性を示し、1時間データからのフィット結果と10%未塔の差異にとどまった。これにより、安定性と低雑音性が確認された。
• 1時間のデータセットは12時間の全データと一貫しており、高品質な超高速ダイナミクスを最小限の時間で取得可能であることを示した。