[논문 리뷰] Light-driven ultrafast phonomagnetism

D. Afanasiev, J. R. Hortensius외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 04.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 49인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 이르은 적외선 펄스가 공명적으로 비틀림 진동 모드를 자극하여 피크세컨드 이내에 비균형 스핀 재정렬을 유도하는 dysprosium orthoferrite (DyFeO₃)에서 빛에 의해 유도되는 초고속 포논자기현상을 입증한다. 격자 변형은 자성 에너지 장벽을 억제하여 이sovotropic 교환 상호작용의 초고속 제어를 통해 에너지 손실을 최소화한 채 장수명의 약한 강자성 상태를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Exciting atomic oscillations with light is a powerful technique to control the electronic properties of materials, leading to remarkable phenomena such as light-induced superconductivity and ultrafast insulator to metal transitions. Here we show that light-driven lattice vibrations can be utilised to encode efficiently spin information in a magnetic medium. Intense mid-infrared electric field pulses, tuned to resonance with a vibrational normal mode of antiferromagnetic DyFeO3, drive the emergence of long-living weak ferromagnetic order. Light-driven phonon displacements promptly lower the energy barrier separating competing magnetic states, allowing the alignment of spins to occur within a few picoseconds, via non-equilibrium dynamics of the magnetic energy landscape.

연구 동기 및 목표

• 공명 포논 자극을 통해 다중형 물질에서 자성 상태의 초고속 비열 제어를 입증하는 것.
• 열화되지 않은 상태에서 빛에 의해 유도된 자성 대칭성 붕괴와 장수명의 약한 강자성 상태를 달성하는 것.
• 격자에 의해 유도된 자성 포텐셜 장의 변화를 통한 초고속 스핀 스위칭을 위한 저에너지·공명 경로를 확립하는 것.
• 초고속 자성 상전이에서 포논 펌핑 메커니즘과 열에 의한 메커니즘을 구분하는 것.

제안 방법

• 85 meV의 공명 중적외선 전기장 펄스를 사용하여 DyFeO₃에서 B₁u 격자 진동 모드를 공명적으로 자극한다.
• 시간 해상도를 가진 자기광학적 파라데이 회절 측정을 통해 스핀 재정렬과 유도된 자화의 초고속 동역학을 측정한다.
• 모린 전이(Tₘ = 51 K) 영역에서 펌프 펄스 조건과 온도를 변화시킨 펌프-프로브 실험을 통해 상전이 동역학을 분석한다.
• 순간 신호의 푸리에 변환 분석을 통해 소프트 포논 모드의 주파수 및 감쇠 동역학과 스핀 프리세션을 추출한다.
• 초과 밴드 갭 가시광선 자극(2.3–3.1 eV)과의 비교를 통해 열에 의한 과정과 분리된 비열 포논 주도 동역학을 규명한다.
• 자기장 적용으로 WFM 상태의 degeneracy를 해소하여 파라데이 회절을 통한 광자 유도 자화 검출이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 격자 진동(포논)이 다중형 물질에서 초고속 비열 자성 상전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 포논에 의해 유도된 격자 변형이 자성 이방성 에너지 장의 구조를 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 포논 펌핑은 열에 의한 메커니즘과 비교해 스핀 재정렬의 시간 상한과 효율성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 빛에 의해 유도된 자성 대칭성 붕괴는 반자성 기질에서 장수명의 강자성 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ5 격자 제어를 통한 자성 에너지 장벽의 초고속 억제 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 85 meV의 공명 중적외선 펄스는 공명 B₁u 포논 모드를 자극하여 1 피코세컨드 이내에 스핀 재정렬을 유도한다.
• 유도된 약한 강자성 상태는 1 ns 이상 지속되며, 비균형 자성의 장수명 특성을 나타낸다.
• 자기 이방성 교환 상호작용의 격자에 의해 유도된 조절이 자성 포텐셜 장벽을 감소시켜 초고속 스핀 정렬을 가능하게 한다.
• 상전이가 단일 스핀 프리세션 주기 이내에 발생함으로써 비열 공명 동역학임을 시사한다.
• 열에 의한 전이(≥100 ps)와 비교해 포논 펌핑은 30 ps 이내에 자성 스위칭을 달성하며, 자화 발생 시점이 10배 더 빠르다.
• 관측 가능한 자화를 유도하기 위한 임계 펌프 펄스 조사량은 15.8 mJ/cm²이며, 이 효과는 온도 및 자기장에 따라 달라지며, 적용된 자기장에 따라 전이 영역이 이동한다.