[논문 리뷰] Laser-induced topological spin switching in a 2D van der Waals magnet

Maya Khela, Maciej Dąbrowski외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 14.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 펌프-프로브 실험을 통해 2D CrGeTe₃ 반결합체에서 피코초 스케일의 초고속, 가역적인 위상 스포인 스위칭을 레이저 유도로 구현하였다. 레이저 유도 전자 가열 및 스핀 동역학을 활용하여 연구자들은 피코초 내에 스카이르미온, 반-스카이르미온, 스카이르미온리움 및 스트립 도메인 간의 초고속, 가변 제어가 가능한 생성 및 스위칭을 달성하였다. 이는 레이저 에너지와 외부 자기장 조절을 통해 가능하다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnets represent one of the most promising horizons for energy-efficient spintronic applications because their broad range of electronic, magnetic and topological properties. Of particular interest is the control of the magnetic properties of 2D materials by femtosecond laser pulses which can provide a real path for low-power consumption device platforms in data storage industries. However, little is known about the interplay between light and spin properties in vdW layers. Here, combining large-scale spin dynamics simulations including biquadratic exchange interactions and wide-field Kerr microscopy (WFKM), we show that ultrafast laser excitation can not only generate different type of spin textures in CrGeTe$_3$ vdW magnets but also induce a reversible transformation between them in a toggle-switch mechanism. Our calculations show that skyrmions, anti-skyrmions, skyrmioniums and stripe domains can be generated via high-intense laser pulses within the picosecond regime. The effect is tunable with the laser energy where different spin behaviours can be selected, such as fast demagnetisation process ($\sim$250 fs) important for information technologies. The phase transformation between the different topological spin textures is obtained as additional laser pulses are applied to the system where the polarisation and final state of the spins can be controlled by external magnetic fields. We experimentally confirmed the creation, manipulation and toggle switching phenomena in CrGeTe$_3$ due to the unique aspect of laser-induced heating of electrons. Our results indicate laser-driven spin textures on 2D magnets as a pathway towards ultrafast reconfigurable architecture at the atomistic level.

연구 동기 및 목표

• 초고속 레이저 펄스를 사용하여 2D 반데바울스 자성체에서 위상 스핀 구조를 유도하고 제어할 수 있는 가능성을 탐색하는 것.
• 대칭 중심이 있는 CrGeTe₃에서 빛 자극과 스핀 동역학 간의 상호작용을 연구하며, 이는 이전에 보고되지 않은 효과이다.
• 이론적 및 실험적으로 레이저 펄스가 높은 가변성으로 고유한 위상 스핀 상태를 생성하고 가역적으로 스위칭할 수 있음을 입증하는 것.
• 원자적으로 얄팍한 자성체를 기반으로 한 전적으로 광학적, 초고속, 재구성 가능한 스피너트로닉스 장치를 위한 길을 마련하는 것.

제안 방법

• 피코초 레이저 자극 후 전자 및 격자 가열을 기술하기 위해 이중 온도 모델(2TM)과 결합된 랑두-리프시츠-기르쉬 방정식(LLG)을 사용한 대규모 스핀 동역학 시뮬레이션.
• CrGeTe₃의 자성 이방성과 위상 스핀 구조를 정확히 모델링하기 위해 스핀 해밀토니안에 이중자기 교환 상호작용과 증명-모리야 상호작용을 통합.
• 전방향 자기화 및 실시간으로 위상 스핀 구조를 영상화하기 위해 극기하적 기하학에서의 광역 영역 코herence 미러링(WFKM)을 사용.
• 1035 nm 선형 펄스(300 fs, 1 MHz)를 100 µm 광점으로 집중하여 45° 경사각에서 스핀 구조 형성 및 스위칭을 유도.
• 이산 스핀 격자에서 삼각형 분할 방법을 사용해 위상 전하를 계산하여 스카이르미온(N_sk = -1), 반-스카이르미온(N_sk = +1), 스카이르미온리움(N_sk = 0)을 식별.
• 레이저 펄스 에너지와 펄스 수를 체계적으로 변화시켜 최종 스핀 구조를 조절하고 외부 자기장 하에서의 가역성을 검증.

Figure 1: Laser-induced demagnetisation processes and spin textures. a, Schematic of the ultrafast laser pulses with linear polarisation $\pi$ on CrGeTe 3 . b, Evolution of the electronic ( $T_{\rm elec}$ ) and phonon ( $T_{\rm phon}$ ) temperatures using the 2TM approach after the application of a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 레이저 펄스는 2D 반데바울스 자성체인 CrGeTe₃에서 스카이르미온 및 반-스카이르미온과 같은 위상적으로 비자명한 스핀 구조를 유도할 수 있는가?
• RQ2 레이저 유도 스핀 구조 간의 변환은 외부 자기장에 의해 가역적이고 제어 가능한가?
• RQ3 레이저 펄스 에너지와 펄스 수가 최종 스핀 구조 및 그 위상 특성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 레이저 자극 후 스핀 동역학의 시간적 진화가 피코초 시간 스케일에서 안정적인 위상 스핀 구조를 어떻게 유도하는가?
• RQ5 LLG 시뮬레이션과 결합된 이중 온도 모델(2TM)은 초고속 스피너트로닉스 현상에서 실험 결과를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 초고속 레이저 펄스(300 fs, 1035 nm)는 CrGeTe₃에서 피코초 스케일 내에 스카이르미온, 반-스카이르미온, 스카이르미온리움 및 스트립 도메인의 형성을 유도한다.
• 열 평형 회복 후에도 위상 스핀 구조는 안정적이며, 추가적인 레이저 펄스를 통해 다양한 상태 간에 가역적으로 스위칭 가능하다.
• 스카이르미온과 스트립 도메인 간의 변환은 광역 영역 코herence 미러링을 통해 실험적으로 관측되었으며, 수십 개의 사이클에 걸쳐도 스위칭 정밀도가 유지된다.
• 레이저 펄스 에너지는 최종 스핀 구조에 대한 가변 제어를 가능하게 하며, 약 250 fs 내에 빠른 비자화 과정이 발생하여 저전력 정보 기술에 적합하다.
• 외부 자기장은 최종 스핀 상태의 극성 제어를 가능하게 하여 스카이르미온과 반-스카이르미온의 입체적 치레오모르피 간의 결정론적 스위칭을 가능하게 한다.
• LLG-2TM 모델을 사용한 이론적 시뮬레이션은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 초고속 자극 후 장시간 스핀 동역학을 시뮬레이션하는 데 효과적인 접근법임을 입증한다.

Figure 2: Fluence-dependent spin textures. a, Final topological charge ( $N_{\rm sk}$ ) versus energy fluence (mJ cm -2 ) of the applied laser. The different energies determine the spin states created in CrGeTe 3 within the range considered: spin polarised ferromagnetic (FM), magnetic stripes, skyrm