[논문 리뷰] One-dimensional optomagnonic microcavities for selective excitation of perpendicular standing spin waves

V.A. Ozerov, D.A. Sylgacheva외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 24.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 60인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초단파 레이저 펄스를 이용해 일차원 광자성 마이크로캐비티에서 특정 차수의 수직 정적 스핀파(PSSWs)를 선택적으로 자극하는 방법을 제안한다. 파르티-페로르 캐비티 내의 자성 필름에서 발생하는 공간적으로 비균일한 역파라데이 효과(IFE) 필드를 이용함으로써, IFE 필드 프로파일과 波수를 일치시키는 PSSW 모드만을 선택적으로 자극할 수 있으며, 이는 마이크로파 안테나나 복잡한 튜닝 메커니즘 없이도 단일 모드 자극을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Here we propose a method of the excitation of perpendicular standing spin waves (PSSWs) of different orders in an optomagnonic microcavity by ultrashort laser pulses. The microcavity is formed by a magnetic dielectric film surrounded by dielectric non-magnetic Bragg mirrors. Optical cavity modes in the magnetic layer provide concentration and strongly non-uniform distribution of the optical power over the layer thickness and therefore induce the effective field of the inverse Faraday effect also spatially non-uniform. It results in excitation of PSSWs. PSSWs whose wavevector is closest to the wavevector characterizing distribution of the inverse Faraday effect field are excited most efficiently. Consequently, a key advantage of this approach is a selectivity of the PSSW excitation which allows to launch PSSWs of required orders only. All-optical operation of the optomagnonic cavities opens new possibilities for their applications for quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 자기 마이크로캐비티에서 특정 차수의 수직 정적 스핀파(PSSWs)를 선택적으로 자극할 수 있는 전면 광학적 방법을 개발하는 것.
• 낮은 조정 가능성, 넓은 자극 스펙트럼, 고차수 PSSW 모드 자극의 어려움 등 마이크로파 기반 자극의 한계를 극복하는 것.
• 브라그 미러 사이에 끼워진 자성 도체 필름에서 광학 캐비티 모드를 활용해 공간적으로 비균일한 IFE 필드를 생성하는 것.
• IFE 필드의 波수를 목표 PSSW 모드의 波수와 일치시킴으로써 단일 모드 PSSW 자극을 가능하게 하는 것.
• 에너지 효율적이고 소형화되며 튜너블한 매그논 장치를 양자 기술 분야에 적용할 수 있는 길을 제시하는 것.

제안 방법

• 광자성 마이크로캐비티는 유리(예: YIG)와 같은 얇은 자성 도체 필름이 도체 브라그 미러 사이에 끼워져 형성된 파르티-페로르 캐비티로, 광학 모드가 자성 층 내에서 갇히게 된다.
• 초단파 원형 편광 레이저 펄스가 역파라데이 효과(IFE)를 유도하여, 빛의 파동벡터 방향을 따라 방향이 정해진 효과적 자석장 H_I FE ∝ Im(E × E*)를 생성한다.
• 광학 캐비티 모드는 필름 두께 방향으로 강하게 비균일한 광강도 및 IFE 필드 분포를 만들어내어, 구조화된 효과적 필드를 형성한다.
• IFE 필드 프로파일의 波수는 어떤 PSSW 모드가 공진적으로 자극되게 하는지를 결정하며, 이로써 특정 고조파(n ≠ 0)만을 선택적으로 자극할 수 있다.
• 광학 모드 및 IFE 필드 분포의 이론적 모델링은 전이 행렬 방법과 전자기 시뮬레이션을 통해 수행된다.
• IFE에 의해 유도된 효과적 필드를 자극원으로 삼아, 라우드-리프시츠-기르버 방정식을 풀어 스핀파 자극 진폭 A_n을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초단파 레이저 펄스를 이용해 자성 마이크로캐비티에서 고차수 수직 정적 스핀파(PSSW) 모드를 선택적으로 자극할 수 있는가?
• RQ2 역파라데이 효과(IFE) 필드의 공간적 프로파일이 PSSW 자극의 선택성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자성 필름 내 광학 캐비티 모드가 IFE 필드를 얼마나 강화시키며, 이를 통해 특정 모드 자극을 가능하게 하는가?
• RQ4 레이저 파장이나 입사각을 변화시켜 다양한 고조파 차수를 목표로 하는 PSSW 자극을 튜닝할 수 있는가?
• RQ5 마이크로파 안테나나 복잡한 외부 필드 구성 없이도 단일 모드 PSSW 자극을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 캐비티 모드에 의해 형성된 자성 필름 내 IFE 필드 분포는 특정 PSSW 모드의 波수와 일치하는 공간적 프로파일을 가지며, 이로 인해 선택적 자극이 가능하다.
• IFE 필드의 波수와 가장 가까운 PSSW 모드만이 효율적으로 자극되며, 나머지 모드들은 거의 자극되지 않는다.
• 이 방법은 기존 마이크로파 안테나의 비균일한 필드 요구 조건으로 인해 자극이 어려운 고차수 PSSW 모드의 선택적 자극을 가능하게 한다.
• IFE 필드의 波수가 PSSW 모드의 波수와 일치할 때 자극 효율이 최대화되며, 이는 공진 유사 행동을 보임을 확인한다.
• 이 접근법은 마이크로파 기반 방법의 대역폭, 해상도, 모드 선택성 측면에서의 한계를 극복하며, 전면 광학적, 튜너블하고 공간적으로 국소화된 PSSW 자극을 가능하게 한다.
• 이론적 모델링은 광학 캐비티 봉쇄가 IFE 필드를 강화하고 자극 스펙트럼에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하며, 향후 양자 매그논이크스 응용에 유망한 기반을 제공한다.