[논문 리뷰] Topological Inverse Faraday Effect in Weyl Semimetals

Yang Gao, Chong Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 28.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 운동량 공간 내의 나선형 스핀 구조와 와이울 노드의 편극성 간의 상호작용에 의해 유도되는 와이울 반도체에서의 위상적 역 패러데이 효과를 제안한다. 이로 인해 주파수에 의존하지 않는 광유도 자화가 발생한다. 이 효과는 위상적 보호에 기인하며, 50 fs 레이저 펄스를 사용하여 120 fs 이내의 초고속 광학적 전환 스위칭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate that in Weyl semimetals, the momentum-space helical spin texture can couple to the chirality of the Weyl node to generate a frequency-independent magnetization in response to circularly polarized light through the inverse Faraday effect. This frequency-independence is rooted in the topology of the Weyl node. Since the helicity and the chirality are always locked for Weyl nodes, this effect is not subject to any symmetry constraint. Finally, we show that the photoinduced frequency-independent magnetization is robust against lattice effect and has a magnitude large enough to realize ultrafast all-optical magnetization switching below picosecond.

연구 동기 및 목표

• 와이울 반도체에서 운동량 공간 내 나선형 스핀 구조가 역 패러데이 효과(Impact Faraday Effect, IFE)에 미치는 역할을 조사한다.
• 와이울 반도체에서의 IFE가 주파수에 의존하지 않고 위상적으로 보호되는지 여부를 규명한다.
• 격자 효과 및 대칭 제약 조건에 대한 광유도 자화의 강건성을 평가한다.
• 이 효과를 이용한 초고속 광학적 전환 자화 스위칭의 실현 가능성 평가

제안 방법

• 2차 응답 이론을 사용한 이론적 분석을 통해 역 패러데이 텐서의 대각성분 β_zz 를 유도한다.
• n=m 근사 조건에서 베리 기울기(Ω_z)와 스핀 행렬 원소 차이(Δs_z)의 곱으로부터 β_zz 를 유도한다.
• 효과적인 저에너지 해밀토니안을 사용하여 나선형 스핀 구조를 갖는 와이울 노드를 모델링하고 β_zz 를 정량화한다.
• 격자 모델 시뮬레이션을 통해 주파수에 의존하지 않는 IFE 가 격자 효과에 대해 강건한지 테스트한다.
• 스핀 회복 시간 τ₀ 를 고려한 비례 방정식을 사용하여 자화 동역학을 현상학적으로 모델링한다.
• 교환 상호작용 H = J S_loc · s_el 에 의한 효과적 자기장으로부터 스위칭 시간을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 와이울 반도체의 나선형 스핀 구조가 주파수에 의존하지 않는 역 패러데이 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 와이울 반도체에서의 광유도 자화가 위상적으로 보호되고 격자 효과에 강건한가?
• RQ3 와이울 노드의 편극성과 나선성의 병합 효과가 대칭 제약 없이 IFE를 유도하는가?
• RQ4 이 IFE 는 피코초 이내의 초고속 광학적 전환 자화 스위칭을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 와이울 반도체에서의 역 패러데이 효과는 와이울 노드의 편극성과 나선성의 위상적 보호로 인해 주파수에 의존하지 않는다.
• 광유도 자화가 빛 주파수의 정밀 조정 없이도 격자 효과에 대해 강건하다.
• IFE 텐서의 대각성분 β_zz 는 대칭 보호 없이 존재할 수 있으며, 중심대칭이 없는 경우와 자기성 와이울 반도체 모두에서 존재할 수 있다.
• 1 mJ/cm² 의 레이저 플루언스 조건에서 단위 격자당 약 0.23 μB 의 유도 자화가 발생하며, 이는 스위칭을 위한 효과적 자기장을 생성하기에 충분하다.
• 50 fs 레이저 펄스를 사용하여 약 120 fs 내로 초고속 자화 스위칭이 가능하며, 이는 온오토스핀트로닉스 응용의 실현 가능성을 보여준다.
• 격자 모델 시뮬레이션은 저에너지 효과 이론과 양호한 일치를 보이며, IFE 응답에서 n=m 전이의 지배적 기여를 확인한다.