[논문 리뷰] Ultrafast element-resolved magneto-optics using a fiber-laser-driven extreme ultraviolet light source

Christina Möller, Henrike Probst외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 23.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 51인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 초고반복률 섬유 레이저 구동형 극자외선(EUV) 소스를 통해 초고속, 원소 분辩 가능한 자기광학 Kerr 효과(T-MOKE) 측정을 위한 기술을 제시한다. 300 kHz Yb-섬유 레이저를 사용해 고조화성 발현(HHG)을 유도함으로써 높은 신호 대 잡음비와 안정된 EUV 조도를 달성하여, 10 fs 시간 해상도와 58 fs 시간 해상도로 얇은 필름 내 Fe와 Ni의 탈자기화 역학을 정밀하게 시간 및 에너지 분해능으로 측정할 수 있다. 이 방법은 Fe19Ni81 퍼멀로이에서 원소별로 구분되는 탈자기화 지연과 진폭을 해결하였으며, 10 ps 창내에서 상대적 역학에 대해 10 fs 이내의 정확도를 입증한다.

ABSTRACT

We present a novel setup to measure the transverse magneto-optical Kerr effect in the extreme ultraviolet spectral range at exceptionally high repetition rates based on a fiber laser amplifier system. This affords a very high and stable flux of extreme ultraviolet light, which we use to measure element-resolved demagnetization dynamics with unprecedented depth of information. Furthermore, the setup is equipped with a strong electromagnet and a cryostat, allowing measurements between 10 and 420 K using magnetic fields up to 0.86 T. The performance of our setup is demonstrated by a set of temperature- and time-dependent magnetization measurements showing distinct element-dependent behavior.

연구 동기 및 목표

• 저반복률 Ti: Sapphire 레이저의 한계를 극복하기 위해 초고반복률, 고신호 EUV 소스를 개발하기 위해.
• 고조화성 발현(HHG)을 이용해 극자외선(EUV) 영역에서 원소 분해능, 시간 및 에너지 분해능 T-MOKE 측정을 가능하게 하기 위해.
• 100–300 kHz 반복률에서 고출력 Yb-섬유 레이저 시스템을 활용하여 높은 신호 대 잡음비와 안정된 데이터 수집을 실현하기 위해.
• 고온도 및 자기장 의존성까지 포함한 고시간 및 고스펙트럼 해상도로 자성 물질의 초고속 탈자기화 역학을 측정하기 위해.
• Fe19Ni81 퍼멀로이와 이중 퍼보스카이트 LNMO와 같은 복잡한 체계에서 원소별로 특화된 자성 역학을 해상할 수 있는 능력을 입증하기 위해.

제안 방법

• Yb-섬유 레이저 시스템이 1030 nm, 300 kHz, 40 fs 이내 펄스를 생성하며, 자기위상변조 및 캐리어 미러 압축을 통해 최대 150 µJ 펄스 에너지를 확보한다.
• 강한 적외선 펄스를 아르곤 기체 제트에서 사용해 고조화성 발현을 유도함으로써, Fe, Co, Ni, Mn의 M2,3 에지에 해당하는 30–72 eV 범위의 EUV 빛을 생성한다.
• 경사입사판(GIPs)과 알루미늄 필터를 사용해 기본 IR 빛과 EUV 빛을 분리하며, B4C 코팅된 토로이드 렌즈가 EUV 빛을 표본에 집중시킨다.
• 수평 자기광학 Kerr 효과(T-MOKE)는 반대 자화 상태 간의 강도 차이를 측정하여 측정되며, 반사 강도에서 유도된 자기이상도 A = (I↑ - I↓)/(I↑ + I↓)로 계산된다.
• 토로이드 렌즈, 격자, CCD 카메라를 갖춘 고유의 분광계가 반사된 EUV 빛을 에너지 분해능으로 분산시켜 감지한다.
• 냉각기(10–420 K)와 강력한 electromagnet(최대 0.86 T)을 통합하여 온도 및 자기장 의존 측정이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고반복률 섬유 레이저로 구동되는 EUV 소스는 고신호 대 잡음비를 확보하면서도 원소 분해능, 시간 분해능 T-MOKE 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 Fe19Ni81 퍼멀로이 필름 내 Fe와 Ni 간의 상대적 탈자기화 지연은 얼마인가?
• RQ3 장시간 측정 동안 초고속 탈자기화 역학은 얼마나 안정적이고 재현 가능한가?
• RQ4 자기이상도 신호가 복잡한 자성 체계에서 원소별 기여를 얼마나 정밀하게 해상할 수 있는가?
• RQ5 고시간 해상도로 탈자기화 과정에서 10 fs 이내의 역학을 해상할 수 있는가?

주요 결과

• 섬유 레이저로 구동되는 EUV 소스는 최대 300 kHz의 반복률을 달성하여, 단 1시간 내에 고신호, 저잡음 데이터 수집이 가능하다.
• Fe19Ni81 퍼멀로이에서 Ni(137±10 fs 시작)와 Fe(185±21 fs 시작) 사이에 10 fs의 탈자기화 지연이 관측되었으며, 상대적 시간에 대해 10 fs 이내의 정밀도를 확보하였다.
• 자기이상도 신호는 Ni의 M-에지에서 27.6%의 분수 탈자기화(ΔAm)와 19.9%의 재자기화(ΔAr)를 보였으며, τm = 147±4 fs 및 τr = 1.67±0.04 ps로 측정되었다.
• Fe의 경우, 피팅 결과로 ΔAm = 25.3% 및 ΔAr = 18.2%를 얻었으며, τm = 185±21 fs 및 τr = 1.96±0.24 ps로 나타나 Ni보다 탈자기화 및 재자기화 속도가 느리다는 것을 시사한다.
• 12시간 측정 데이터는 뛰어난 재현성을 보였으며, 1시간 데이터와 비교해 피팅 결과의 차이가 10% 미만이었다. 이는 안정성과 낮은 잡음 수준을 확인한다.
• 1시간 데이터셋의 결과는 전체 12시간 데이터와 일치했으며, 고품질 초고속 역학 데이터를 극단적으로 짧은 시간 내에 확보할 수 있음을 입증한다.