[논문 리뷰] Nonlinear terahertz Néel spin-orbit torques in antiferromagnetic Mn$_2$Au

Yannic Behovits, Alexander L. Chekhov외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 38인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 단일 주기 테라헤르츠 펄스를 사용하여 안자성체인 Mn₂Au에서 초고속 비선형 Néel 스핀-오르빗 토크(NSOT)를 입증한다. 이 토크는 1 ps 이내에 30°까지 공명적인 면내 Néel 벡터의 편향을 유도한다. 파동장에 의한 피크 전기장 강도가 500 kV/cm에 도달할 때까지 관측된 동역학은 피코세컨드 정밀도의 자기광학 측정 및 마이크로자기 모델링을 통해 확인되었으며, 이는 (150 ± 50) cm²/A·s의 토크율을 나타내어 전기장으로 구동되는 열을 최소화하고, 피코세컨드 이내에 스위칭이 가능한 잠재적 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Antiferromagnets have large potential for ultrafast coherent switching of magnetic order with minimum heat dissipation. In materials such as Mn2Au and CuMnAs, electric rather than magnetic fields may control antiferromagnetic order by Néel spin-orbit torques (NSOTs). However, these torques have not yet been observed on ultrafast time scales. Here, we excite Mn2Au thin films with phase-locked single-cycle terahertz electromagnetic pulses and monitor the spin response with femtosecond magneto-optic probes. We observe signals whose symmetry, dynamics, terahertz-field scaling and dependence on sample structure are fully consistent with a uniform in-plane antiferromagnetic magnon driven by field-like terahertz NSOTs with a torkance of (150 ± 50) cm2 A−1 s−1. At incident terahertz electric fields above 500 kV cm−1, we find pronounced nonlinear dynamics with massive Néel-vector deflections by as much as 30°. Our data are in excellent agreement with a micromagnetic model. It indicates that fully coherent Néel-vector switching by 90° within 1 ps is within close reach.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠 Néel 스핀-오르빗 토크(NSOT)를 이용해 Mn₂Au에서 전기장 구동, 초고속 공명 안자성 스위칭을 입증하는 것.
• 강한 테라헤르츠 필드 하에서 Néel 벡터의 비선형 역학을 피코세컨드 시간 해상도로 탐색하는 것.
• 안자성체인 Mn₂Au에서 NSOT에 의한 스핀 역학의 대칭성, 필드 스케일링 및 구조적 의존성 설정.
• 실험 결과를 1 ps 이내에 완전히 공명적인 Néel 벡터 스위칭을 예측하는 마이크로자기 모델로 검증하는 것.

제안 방법

• 피크 전기장 강도가 최대 500 kV/cm에 이르는 위상 고정 단일 주기 테라헤르츠 펄스를 이용해 Mn₂Au 박막을 자극하는 것.
• 펌프-프로브 지연 시간에 따라 프로브 빔의 편광 변화(ΔS)를 측정하기 위해 피코세컨드 정밀도의 자기광학 측정을 수행하는 것.
• 신호가 전기장과 Néel 벡터 양쪽 모두에 대해 기저인 것을 분리하기 위해 테라헤르츠 필드 극성, 프로브 편광 각도(φpr), 및 샘플의 자세각(φs)을 체계적으로 변화시키는 것.
• 면내 Néel 벡터 역학을 기술하는 데 Eq. (16)을 기반으로 한 마이크로자기 모델을 사용하여, 필드 유사 NSOT에 의해 유도되는 비선형 항을 포함하는 것.
• 시간 영역의 인파르스 응답을 분해하여 Néel 벡터 편향의 본질적 동역학을 추출하는 것.
• 테라헤르츠 필드 강도에 따른 신호 대칭성 및 스케일링 분석을 통해 관측된 반응이 NSOT에 의해 유도된 것임을 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 주기 테라헤르츠 펄스를 사용해 초고속 시간 영역에서 Mn₂Au에서 비선형 Néel 스핀-오르빗 토크를 관측할 수 있는가?
• RQ2 강한 테라헤르츠 자극 하에서 Mn₂Au의 NSOT 토크율의 크기와 필드 의존성은 어떠한가?
• RQ3 Néel 벡터는 어느 정도까지 공명적으로 편향될 수 있으며, 1 ps 이내에 완전한 90° 스위칭이 달성될 수 있는가?
• RQ4 관측된 신호의 대칭성과 역학은 필드 유사 NSOT의 존재를 확인하는 데 어떻게 기여하는가? 다른 스핀-오르빗 메커니즘과의 차이를 어떻게 규명하는가?

주요 결과

• 기본 필드에 대해 기저인 신호의 필드 스케일링 분석을 통해 (150 ± 50) cm²/A·s의 토크율이 추출되었으며, 이는 Néel 스핀-오르빗 토크의 존재를 확인한다.
• 테라헤르츠 전기장 강도가 500 kV/cm를 초과할 경우, Néel 벡터는 최대 30°까지 극도로 큰 편향을 경험하며 강한 비선형 역학을 나타낸다.
• 신호는 테라헤르츠 전기장과 Néel 벡터 양쪽 모두에 대해 기저이며, 이는 필드 유사 NSOT와 일치하며 대칭적이거나 자기장에 의해 유도된 기여를 배제한다.
• 마이크로자기 모델링을 통해 최적의 자극 조건에서 1 ps 이내에 완전히 공명적인 Néel 벡터 스위칭이 가능하다는 것이 확인되었다.
• 분해를 통해 추출한 Néel 벡터 편향의 시간 영역 인파르스 응답은 모델 예측과 일치하며 공명적인 진동 응답을 드러낸다.
• 관측된 신호의 대칭성과 각도 의존성(예: cos(2φpr − 2φs))은 NSOT에 의해 유도된 면내 Néel 벡터 회전과 완전히 일치한다.