[논문 리뷰] All-Optical Generation of Antiferromagnetic Magnon Currents via the Magnon Circular Photogalvanic Effect

Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 22.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 63인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 자극된 라만 산란를 통해 원자구조가 벌집형 반자성 절연체에서 방향성 있는 스핀파 전류를 생성하기 위한 전적으로 광학적인 방법을 제안한다. 이 효과는 레이저의 편광과 입사각을 조절하여 스핀파 전류의 방향과 크기를 제어할 수 있으며, platnum 접합에서 실험적으로 측정 가능한 역스핀홀 전압을 유도하여 광학적 스핀파 전류 생성의 주요 기구를 확립한다.

ABSTRACT

We introduce the magnon circular photogalvanic effect enabled by stimulated Raman scattering. This provides an all-optical pathway to the generation of directed magnon currents with circularly polarized light in honeycomb antiferromagnetic insulators. The effect is the leading order contribution to magnon photocurrent generation via optical fields. Control of the magnon current by the polarization and angle of incidence of the laser is demonstrated. Experimental detection by sizeable inverse spin Hall voltages in platinum contacts is proposed.

연구 동기 및 목표

• 반자성 절연체에서 방향성 있는 스핀파 전류를 전적으로 광학적으로 생성하기 위한 이론적 기초를 확립하기 위해.
• 스핀파 원형 광전류 효과(MCPGE)가 약한 자화 모멘트 기반 메커니즘보다 더 높은 차수의 기여를 하는 광학적 스핀파 광전류의 주요 기여 기여로 식별하기 위해.
• 대칭성 보존 비선형 광학 반응을 통해 레이저 편광과 입사각을 이용한 스핀파 전류 제어를 보여주기 위해.
• 측정 가능한 전압 신호를 얻기 위해 역스핀홀 효과(ISHE)를 이용한 실현 가능한 실험적 검출 방법을 제안하기 위해.
• 일반적인 프레임워크를 제공하여 스핀이 일직선으로 배열된 벌집형 반자성체에 적용 가능하며, 다른 자성 점군으로 확장 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• C3v 대칭성을 지닌 일직선 벌집형 반자성 절연체에서 자극된 라만 산란의 이론적 분석을 수행하며, 전기장의 제곱 의존성에 의해 빛-물질 상호작용을 모델링한다.
• 대칭성 제약 조건에 의해 감소된 유일한 성분으로 표현된 다섯계수 광학 비선형성 텐서 σijklm를 사용하여 스핀파 전류를 유도한다.
• 전류 크기와 방향을 레이저의 입사각(θ)과 편광의 휘어진 성질(ζ)에 대한 함수로 기술하는 식 ⟨J⟩ = ζ Im(σ) cosθ sin²θ (sin2φ ˆey − cos2φ ˆex)를 사용한다.
• 대칭성 분석을 통해 오직 홀수계수 비선형 과정만 기여하며, 제3계수 비선형성 텐서는 대칭성에 의해 0이 되므로 제5계수 항이 지배적임을 확인한다.
• 스핀파 붕괴율의 선형 온도 의존성을 가정하여, Pt 접합에서의 역스핀홀 효과(ISHE) 반응을 모델링하여 스핀파 전류를 측정 가능한 전압 신호로 변환한다.
• 실제 MnPS3 물질의 파arameters(S = 5/2, J1 = 1.54 meV, J2 = −0.14 meV 등)를 사용하여 ISHE 전압의 수치적 시뮬레이션을 수행하여, 저온에서 VISHE ∼1 mV의 값을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 편광 빛이 반자성 절연체에서 전적으로 광학적 경로를 통해 순방향 스핀파 전류를 생성할 수 있는가?
• RQ2 광학적 스핀파 광전류 생성의 주요 기여 기구는 무엇이며, 자화 모멘트 기반 제안과 비교해 볼 때 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 스핀파 전류는 레이저 편광과 입사각에 따라 어떻게 달라지며, 실험적으로 조절 가능할 수 있는가?
• RQ4 생성된 스핀파 전류가 기존 실험 장비로도 측정 가능한 역스핀홀 전압을 Pt 접합에서 유도할 수 있는가?
• RQ5 스핀파 전류의 온도 의존성은 무엇이며, MnPS3와 같은 물질에서의 실험 관측과 일치하는가?

주요 결과

• 스핀파 원형 광전류 효과(MCPGE)는 반자성 절연체에서 광학적 스핀파 광전류의 주요 기여 기여로 식별되었으며, 이는 제5계수 비선형성 텐서에 기인한다.
• 스핀파 전류 ⟨J⟩는 cosθ sin²θ 비례하며, 레이저의 편광 휘어진 성질(ζ)과 원추각 φ에 따라 방향성이 나타나며, 주기 2φ의 꽃 모양의 각도 패턴을 형성한다.
• 선형 편광 빛의 경우 전류가 0이 되며, θ ≈55° 및 φ = 45°에서 최대값에 도달하며, 정규화된 최대값 Jmax를 가진다.
• Platinum 접합에서 약 1 mV의 역스핀홀 전압이 예측되었으며, 이는 DC 스핀파 전류 실험에서 관측된 실험적으로 측정 가능한 수준과 일치한다.
• 스핀파 전류는 온도가 상승함에 따라 급격히 감쇠되며, T ≈30 K에서 거의 0이 되며, MnPS3에서 이 온도 이상에서 전류가 사라지는 실험 관측과 일치한다.
• 이론적 프레임워크는 다른 일직선 벌집형 반자성체에 일반화 가능하며, 대칭성 분석을 통해 더 넓은 자성 점군으로 확장 가능하다.