[논문 리뷰] Phononic Switching of Magnetization by the Ultrafast Barnett Effect

C. S. Davies, F. G. N. Fennema외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 19.

Magnetic properties of thin films인용 수 11

한 줄 요약

본 연구는 매질이 paramagnetic 기판들에서 공진적으로 여기된 원형 편광 광 진동에 의해 작용하는 초고속 Barnett 효과를 통해 얻은 자화가 기판에 장착된 이종구조의 자성 상태를 영구히 반전시킬 수 있으며, 스위칭은 진동의 손방향성에 의해 제어된다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The Barnett effect, discovered more than a century ago, describes how an inertial body with otherwise zero net magnetic moment acquires spontaneous magnetization when mechanically spinning. Breakthrough experiments have recently shown that an ultrashort laser pulse destroys the magnetization of an ordered ferromagnet within hundreds of femtoseconds, with the spins losing angular momentum to circularly-polarized optical phonons as part of the ultrafast Einstein-de Haas effect. However, the prospect of using such high-frequency vibrations of the lattice to reciprocally switch magnetization in a nearby magnetic medium has not yet been experimentally explored. Here we show that the spontaneous magnetization temporarily gained via the ultrafast Barnett effect, through the resonant excitation of circularly-polarized optical phonons in paramagnetic substrates, can be used to permanently reverse the magnetic state of the substrate-mounted heterostructure. With the handedness of the phonons steering the direction of magnetic switching, the ultrafast Barnett effect offers a selective and potentially universal method for exercising ultrafast non-local control over magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 고주파 격자 진동을 활용한 초고속 비국소 자성 질서 제어를 동기를 부여한다.
• 초고속 Barnett 효과가 이종구조에서 영구적인 자화 스위칭을 유도할 수 있음을 보인다.
• 원형 편광 광 진동이 진동의 손방향성을 통해 선택적으로 자성 상태를 조정할 수 있는지 탐구한다.

제안 방법

• paramagnetic 기판에서 원형 편광 광 진동의 공진 자극
• 초고속 Barnett 효과를 통한 자발적 자화의 유도
• 진동-구동 자화를 기판에 장착된 이종구조로 결합하여 스위칭 달성
• 진동의 손방향성에 의해 제어되는 자성 상태의 영구적 반전 관찰

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진된 원형 편광 진동에 의해 구동되는 초고속 Barnett 효과가 인근의 자성 매질에서 영구적인 자화 변화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 스위칭 방향이 여기된 진동의 손방향성으로 제어 가능한가?
• RQ3 이 진동 매개 메커니즘이 비국소 자기 제어를 위한 보편적이고 초고속인 방법을 제공하는가?

주요 결과

• 초고속 Barnett 효과를 통해 얻은 자발적 자화는 이종구조의 자성 상태를 영구히 반전시키는 데 사용할 수 있다.
• 스위칭 방향은 여기된 진동의 손방향성에 의해 조정된다.
• 이 방법은 자성 질서를 초고속 비국소적으로 제어하기 위한 선택적이고 잠재적으로 보편적인 접근법을 소개한다.