[논문 리뷰] Ferromagnetic dynamics detected via one- and two-magnon NV relaxometry

Brendan McCullian, Ahmed M. Thabt외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 03.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 48인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심에서 마이크로파 주파수에서의 반도체 자기역학을 탐지하기 위해 이중자기파 라만 유사한 비가역 과정을 도입한다. 이는 기존의 단일자기파 NV 비가역 측정법으로는 접근할 수 없었던 NV 스핀 공진 주파수를 초월하는 마이크로파 주파수에서의 반도체 자기역학을 탐지한다. 주요 발견은 고강도 마이크로파 조사에서 Suhl 불안정성이 발생하여 비평형 자기파가 생성되고, 이들이 이중자기파 과정을 통해 NV 비가역을 유도함으로써 기존 주파수 한계를 초월한 탐지가 가능해졌다는 점이며, 이는 이전에 설명되지 않았던 NV 반응의 자기장 이동 현상도 설명한다.

ABSTRACT

The NV center in diamond has proven to be a powerful tool for locally characterizing the magnetic response of microwave excited ferromagnets. To date, this has been limited by the requirement that the FMR excitation frequency be less than the NV spin resonance frequency. Here we report NV relaxometry based on a two-magnon Raman-like process, enabling detection of FMR at frequencies higher than the NV frequency. For high microwave drive powers, we observe an unexpected field-shift of the NV response relative to a simultaneous microwave absorption signal from a low damping ferrite film. We show that the field-shifted NV response is due to a second order Suhl instability. The instability creates a large population of non-equilibrium magnons which relax the NV spin, even when the uniform mode FMR frequency exceeds that of the NV spin resonance frequency, hence ruling out the possibility that the NV is relaxed by a single NV-resonant magnon. We argue that at high frequencies the NV response is due to a two-magnon relaxation process in which the difference frequency of two magnons matches the NV frequency, and at low frequencies we evaluate the lineshape of the one-magnon NV relaxometry response using spinwave instability theory.

연구 동기 및 목표

• NV 중심 기반 비가역 측정법의 주파수 범위를 NV 스핀 공진 주파수를 초월하여 확장하는 것.
• 저감쇠 페리트 필름에서 고강도 마이크로파 조사 시 실험적으로 관측된 NV 반응의 자기장 이동 현상을 설명하는 것.
• 고주파수에서의 NV 비가역 반응이 단일자기파 공진이 아니라 이중자기파 비가역 과정에 의해 유도된다는 것을 입증하는 것.
• 스핀파 불안정성 이론을 사용하여 단일자기파 NV 비가역 측정의 선형형태를 특성화하는 것.
• Suhl 불안정성이 비평형 자기파를 생성하여 NV 비가역을 매개하는 역할을 하는 것을 규명하는 것.

제안 방법

• 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심을 나노스케일 자기 센서로 사용하여 마이크로파 자극을 받는 반도체 자성체를 탐사하는 방법.
• 두 개의 자기파 에너지 차이가 NV 스핀 공진 주파수와 일치하는 이중자기파 라만 유사 비가역 과정을 적용하는 방법.
• 고강도 마이크로파 조사 하에서 NV 비가역 역학을 분석하여 단일자기파 행동과의 이탈을 식별하는 방법.
• 저강도에서의 단일자기파 비가역 측정 선형형태를 모델링하기 위해 스핀파 불안정성 이론을 적용하는 방법.
• 비가역 효과를 분리하기 위해 동시에 수행된 마이크로파 흡수 측정과 NV 반응을 비교하는 방법.
• Suhl 불안정성이 비평형 자기파 집합을 생성하여 NV 스핀 비가역을 매개하는 원천으로 규명하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NV 비가역 측정법은 NV 스핀 공진 주파수를 초월하는 마이크로파 주파수에서의 반도체 자기역학을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 고강도 마이크로파 조사에서 마이크로파 흡수에 비해 관측된 NV 반응의 자기장 이동 현상의 원인은 무엇인가?
• RQ3 고주파수에서의 NV 비가역은 단일자기파 과정인지, 이중자기파 과정인지에 의해 매개되는가?
• RQ4 스핀파 불안정성은 반도체 필름에서의 NV 비가역 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비평형 자기파는 기존 주파수 한계를 초월한 NV 비가역을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• NV 스핀 공진 주파수를 초월하는 마이크로파 주파수에서의 NV 반응은 단일자기파 공진이 아니라 이중자기파 비가역 과정에 의해 가능해진다.
• 마이크로파 흡수에 비해 관측된 NV 반응의 자기장 이동 현상은 제2차 Suhl 불안정성이 비평형 자기파를 생성함으로써 기인한다.
• Suhl 불안정성은 비평형 자기파 집합을 대량으로 생성하여, FMR 주파수가 NV 주파수를 초월하는 경우에도 NV 비가역을 유도한다.
• 저강도 마이크로파 조사에서 단일자기파 NV 비가역 측정 선형형태는 스핀파 불안정성 이론을 사용하여 성공적으로 모델링된다.
• 이중자기파 과정은 기존의 NV 비가역 측정 주파수 한계를 초월한 반도체 자기역학 탐지가 가능하게 한다.
• 결과적으로 고주파수에서 관측된 NV 반응의 메커니즘으로서 단일자기파 비가역이 제거된다.