[논문 리뷰] Laser-induced terahertz spin transport in magnetic nanostructures arises from the same force as ultrafast demagnetization

Seyed Mohammedreza Rouzegar, Liane Brandt외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 42인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 레이저 유도 테라헤르츠 스핀 전송(TST)과 자성 나노구조에서 초고속 자화 소실(UDM)이 동일한 기본 원인에 의해 구동된다는 것을 입증한다: 비열전자 분포에 기인한 일반화된 스핀 전압이다. 폭넓은 대역의 테라헤르츠 방출 스펙트로스코피를 사용하여, 저자들은 UDM과 TST 플럭스 사이에 동일한 시간적 역학을 보여주며, UDM 물리학의 통찰을 활용해 TST의 진폭을 최대 한 계급까지 증가시킬 수 있음을 밝혔다.

ABSTRACT

Laser-induced terahertz spin transport (TST) and ultrafast demagnetization (UDM) are central but so far disconnected phenomena in femtomagnetism and terahertz spintronics. Here, we use broadband terahertz emission spectroscopy to reliably measure both processes in one setup. We find that the rate of UDM of a single ferromagnetic metal film F has the same time evolution as the flux of TST from F into an adjacent normal-metal layer N. This remarkable agreement shows that UDM and TST are driven by the same force, which is fully determined by the state of the ferromagnet. An analytical model consistently and quantitatively explains our observations. It reveals that both UDM in F and TST in the F|N stack arise from a generalized spin voltage, which is defined for arbitrary, nonthermal electron distributions. We also conclude that contributions due to a possible temperature difference between F and N are minor and that the spin-current amplitude can, in principle, be increased by one order of magnitude. In general, our findings allow one to apply the vast knowledge of UDM to TST, thereby opening up new pathways toward large-amplitude terahertz spin currents and, thus, energy-efficient ultrafast spintronic devices.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠 스핀 전송(TST)과 초고속 자화 소실(UDM) 사이에 직접적인 실험적 연관성을 확립함으로써, 이전에 파동역학에서 분리된 것으로 간주되었던 두 현상 간의 관계를 규명한다.
• 자성 나노구조에서 TST와 UDM을 동시에 이끄는 동일한 물리적 메커니즘이 존재하는지 규명한다.
• 비열전자 분포에 적용 가능한 일반화된 스핀 전압을 기반으로 한 분석 모델을 개발하고 검증한다.
• 온도 기울기와 전자-음향파 등화가 TST 및 UDM 역학에 미치는 영향을 평가한다.
• 기존의 UDM 지식을 활용하여 TST 진폭을 향상시킬 수 있는 잠재력을 탐색한다.

제안 방법

• 폭넓은 대역의 테라헤르츠 방출 스펙트로스코피를 사용하여, 단일 자성체(F) 층에서의 UDM과 F|N(자성체/정상 금속) 이중구조에서의 TST를 동시에 측정하였다.
• 표본의 회전(0° 대비 180°)을 통해 반대칭(홀수) 테라헤르츠 신호를 분리하였으며, 이는 자화 역학(UDM)과 스핀 전류 밀도(TST)에 비례한다.
• 시간에 따른 진화가 전자-음향파 상호작용 레이턴시에 의해 결정되는, 임의의 비열전자 분포에 대해 정의된 일반화된 스핀 전압 Δμ̃s를 기반으로 한 분석 모델을 적용하였다.
• 비열전자 상태를 고려한 수정된 이온 온도 모델(2TM)을 사용하여 실험 데이터를 피팅하였으며, 자유 매개변수로는 Γ_es(전자-스핀 레이턴시율)과 총 진폭 스케일링 뿐 뿐이었다.
• 실험적 시간 해상도에 맞추기 위해 이론적 예측값을 40 fs 가우시안과 컨볼루션 처리하였다.
• 식 (50)과 (51)을 통해 F 및 F|N 다층막에서 Γ_ep와 R(에너지 분배 비율)를 계산하기 위해 문헌에서 얻은 전자-음향파 결합(G_ep) 및 열용량(C_e, C_p) 값을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자성 나노구조에서 테라헤르츠 스핀 전송(TST)과 초고속 자화 소실(UDM)은 동일한 구동력이 있는가?
• RQ2 피코초 레이저 자극 이후 비열전자 분포에 일반화된 스핀 전압 개념을 적용할 수 있는가?
• RQ3 F와 N 사이의 온도 기울기가 TST에 기여하는 정도는 어떻게 되며, 스핀 전압 효과에 비해 어느 정도인가?
• RQ4 통합 이론적 프레임워크를 사용하여 UDM 측정값으로부터 TST의 시간 역학을 예측할 수 있는가?
• RQ5 TST의 최대 진폭은 얼마이며, 전자 역학을 설계함으로써 이를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• CoFe(3 nm) 필름에서 초고속 자화 소실(Ṁ)의 속도는 CoFe|Pt(3 nm) 이중구조에서의 스핀 전류 밀도(j_s)와 동일한 시간적 진동을 보이며, 100 fs 동안 상관계수가 0.99를 초과한다.
• UDM과 TST의 관측된 역학은 비열전자 분포에 의존하는 일반화된 스핀 전압 Δμ̃s에 의해 정량적으로 설명되며, 이는 자성체 층의 상태에 의해 완전히 결정된다.
• F와 N 사이의 온도 기울기는 TST에 거의 기여하지 않으며, 주요 구동력은 일반화된 스핀 전압이다.
• 실제로는 자성체 층의 전자 역학을 최적화함으로써 TST의 진폭을 최대 한 계급까지 증가시킬 수 있다.
• TST의 시간적 시작 시점은 시스템 내의 레이턴시 과정이 아니라 펌프 펄스의 지속 시간에 의해 제한된다.
• 일반화된 스핀 전압 모델을 사용한 실험 데이터 피팅 결과, CoFeB의 경우 Γ_es⁻¹ = 105 ± 5 fs, NiFe의 경우 198 ± 17 fs이며, W 및 Pt 캡핑층에 대해서도 일관된 값이 도출되었다.