[논문 리뷰] Ultrafast amplification and non-linear magneto-elastic coupling of coherent magnon modes in an antiferromagnet

Davide Bossini, Matteo Pancaldi외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 20.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 45인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 반자성체인 니켈 산화물(NiO) 결정에서 도메인 벽을 통해 서로 다른 위상 일관된 자성파 모드—THz 및 GHz—사이의 초고속 비선형 자성-탄성 결합을 입증한다. 가변 펄스 길이의 펌프 레이저 펄스로 엑시톤-자성파 전이를 공 resonance하게 자극함으로써 연구자들은 도메인 벽을 통한 결합을 통해 GHz 모드의 광학적 증폭을 달성하였으며, 이는 반자성체에서 스핀 동역학을 제어하는 새로운 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

We investigate the role of domain walls in the ultrafast magnon dynamics of an antiferromagnetic NiO single crystal in a pump-probe experiment with variable pump photon energy. Analysing the amplitude of the energy-dependent photo-induced ultrafast spin dynamics, we detect a yet unreported coupling between the material's characteristic THz- and a GHz-magnon modes. We explain this unexpected coupling between two orthogonal eigenstates of the corresponding Hamiltonian by modelling the magneto-elastic interaction between spins in different domains. We find that such interaction, in the non-linear regime, couples the two different magnon modes via the domain walls and it can be optically exploited via the exciton-magnon resonance.

연구 동기 및 목표

• 반자성체 NiO의 초고속 자성파 역학에서 도메인 벽의 역할을 조사하기 위해.
• 비선형 영역에서 도메인 벽이 서로 다른 자성파 모드 사이의 결합을 매개하는지 확인하기 위해.
• 엑시톤-자성파 전이를 공 resonance하게 자극함으로써 GHz 자성파 모드를 광학적으로 증폭할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 관측된 비선형 결합을 도메인 벽을 통해 설명하는 거시적 현상학적 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 자유로운 다중도메인 NiO 단결정에 대해 가변 펌프 광자 에너지(0.92–1.07 eV)를 사용한 펌프-프로브 자기광학 실험을 수행하였다.
• 엑시톤-자성파(X-M) 전이에 대응하는 0.97 eV에서 공 resonance 자극을 통해 고주파수(1.07 THz) 자성파를 일관되게 생성하였다.
• 프로브 빛의 편광 변화를 시간에 따라 측정하여 110 GHz(저주파수 모드) 및 약 1.1 THz의 빠른 성분에서의 일관된 진동을 탐지하였다.
• 다양한 펌프 에너지에서의 펌프-프로브 트레이스를 분석하여 에너지 의존성 스핀 동역학을 분리하고 공 resonance 증폭을 식별하였다.
• 비선형 자성-탄성 상호작용과 도메인 벽 효과를 포함하는 거시적 현상학적 모델을 사용하여 수직 자성파 브랜치 사이의 비선형 결합을 설명하였다.
• 다중도메인 NiO의 데이터를 단일도메인 기준 데이터와 비교하여 도메인 벽 기여도를 고립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiO에서 엑시톤-자성파 공 resonance는 피코초 시간 척도에서 THz 자성파 모드를 일관되게 자극할 수 있는가?
• RQ2 다중도메인 반자성체에서 도메인 벽이 서로 다른 자성파 모드 사이의 비선형 결합을 매개하는가?
• RQ3 도메인 벽을 통한 결합을 통해 THz 자성파 모드를 자극함으로써 GHz 자성파 모드를 광학적으로 증폭할 수 있는가?
• RQ4 도메인 벽에서의 자성-탄성 상호작용은 반자성체에서 초고속 Néel 벡터 역학에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 다중도메인 NiO에서 이전에 보고되지 않은 수직 자성파 브랜치 사이의 비선형 결합—1.07 THz(고주파수) 및 약 130 GHz(저주파수)—를 관측하였다.
• 0.97 eV에서의 공 resonance 펌프로 1.07 THz 자성파 모드가 일관되게 자극되었으며, 이로 인해 도메인 벽을 통한 결합을 통해 130 GHz 모드가 증폭되었다.
• GHz 모드의 증폭은 다중도메인 샘플에서만 관측되었으며, 단일도메인 NiO에서는 관측되지 않아 도메인 벽의 필수적 역할을 확인하였다.
• 이 결합 메커니즘은 비선형 자성-탄성 상호작용을 고려한 거시적 현상학적 모델로 설명될 수 있다.
• 신호에서 관측된 110 GHz의 주파수는 저주파수 자성파 모드에 해당하며, 약간의 편이가 자성변형에 의해 유도된 응력 효과로 인해 발생한다.
• 저온(T < 100 K)에서 엑시톤 피크와 사이드밴드 사이의 에너지 이격 약 4 meV는 고주파수 자성파 모드의 에너지와 일치하여 공 resonance 자극을 확인한다.