[논문 리뷰] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin-phonon interactions

E. Rongione, O. Gueckstock외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 24.

Magnetic properties of thin films인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 두 가지 별개의 메커니즘을 통해 NiO/Pt 이중층에서 1 THz에서 초고속, 비편향 THz 스핀온 방출을 입증한다: (111) 방향의 NiO에서 직접 공진 외부 광학 스핀 토크(ICCME)와 (001) 방향의 NiO에서의 진동수 매개 스핀-포논 결합이다. 주요 결과는 매우 다른 시간스케일을 가지는 두 가지 별개의 자극 경로를 규명한 것으로, 직접 광학 자극은 50 fs 이내, 진동수 유도 동역학은 300 fs 초과로, 이는 반자성 스핀트로닉스 장치에서 조절 가능한 좁은 대역의 THz 방출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Antiferromagnetic materials have been proposed as new types of narrowband THz spintronic devices owing to their ultrafast spin dynamics. Manipulating coherently their spin dynamics, however, remains a key challenge that is envisioned to be accomplished by spin-orbit torques or direct optical excitations. Here, we demonstrate the combined generation of broadband THz (incoherent) magnons and narrowband (coherent) magnons at 1 THz in low damping thin films of NiO/Pt. We evidence, experimentally and through modelling, two excitation processes of magnetization dynamics in NiO, an off-resonant instantaneous optical spin torque and a strain-wave-induced THz torque induced by ultrafast Pt excitation. Both phenomena lead to the emission of a THz signal through the inverse spin Hall effect in the adjacent heavy metal layer. We unravel the characteristic timescales of the two excitation processes found to be < 50 fs and > 300 fs, respectively, and thus open new routes towards the development of fast opto-spintronic devices based on antiferromagnetic materials.

연구 동기 및 목표

• 반자성 절연체에서 비편향 THz 스핀온 방출을 위한 초고속 자극 메커니즘을 규명하고 구분하는 것.
• NiO/Pt 이중층에서 좁은 대역(1 THz) 및 넓은 대역의 THz 방출을 구현하는 것.
• 각도 기반 THz 방출 맵핑을 통해 스핀온 생성 메커니즘과 NiO의 결정학적 정렬 간의 연관성을 규명하는 것.
• 다양한 자극 경로에 따른 스핀전류 상승 및 감쇠 시간스케일을 정량화하는 것.
• 반자성 절연체에서 스핀-포논 상호작용과 광학적 스핀토크가 비편향 스핀온 동역학을 어떻게 이끄는지 규명하는 것.

제안 방법

• 노말 입사 조건에서 초고속 가까운 적외선 펌프 레이저 펄스(100 fs)를 사용하여 NiO/Pt 이중층을 자극하였다.
• 감도 향상을 위해 ZnTe 결정체를 사용한 시간 영역 분광법을 통해 THz 방출을 측정하였다.
• THz 방출의 각도 의존성을 맵핑하여 편광도 및 NiO의 결정학적 정렬 간의 상관관계를 분석하였다.
• 이론적 모델링을 통해 직접 광학 스핀토크(ICME)와 진동수 매개 스핀-포논 결합 메커니즘 간의 차이를 규명하였다.
• 역스핀홀 효과(ISHE)를 통해 Pt 층에서 스핀전류를 측정 가능한 전류로 변환함으로써 스핀전류 동역학을 분석하였다.
• 모델링에는 비편향 진동수 파동과 비편향 격자 가열 기여를 포함하였으며, 토크 항은 자화-탄성 상수와 변형 성분에 비례하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiO/Pt 이중층에서 비편향 THz 스핀온 방출을 이끄는 주요 자극 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 직접 광학 스핀토크 경로와 스핀-포논 결합 경로 간의 스핀전류 생성 시간스케일은 어떻게 다를까?
• RQ3 왜 비편향 1 THz 방출은 (001) 방향의 NiO 필름에서는 관측되지만 (111) 방향 필름에서는 관측되지 않을까?
• RQ4 NiO의 결정학적 정렬은 THz 방출의 편광 의존성과 대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 진동수 유도 변화가 교환 상호작용과 자성 이방성에 미치는 영향은 관측된 스핀온 동역학에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• (001) 방향의 NiO/Pt 이중층에서 실험적으로 비편향 1 THz 스핀온 방출을 관측하였으며, 주파수 1.1 THz는 NiO의 고주파 스핀온 분지와 정확히 일치하였다.
• (111) 방향의 NiO에서의 직접 광학 스핀토크 메커니즘(ICME)은 50 fs 이내의 스핀전류 상승 시간을 보였으며, 이는 실험 해상도에 의해 제한되었다.
• (001) 방향의 NiO에서의 진동수 매개 스핀-포논 결합은 300 fs를 초과하는 스핀전류 감쇠 시간을 보였으며, 더 오래 지속되는 자극 과정임을 시사하였다.
• 각도 기반 THz 방출 맵핑 결과, 방출 메커니즘이 Néel 벡터의 정렬 방향과 직접적으로 연관되어 있음을 확인하였으며, 편광 의존성은 (111)과 (001) 방향 간의 차이를 명확히 구분하였다.
• 모델링 결과, 비편향 진동수 파동과 비편향 격자 가열 모두 Néel 벡터에 토크를 가하는 데 기여하며, 특히 비편향 진동수 파동이 비편향 1 THz 진동을 이끄는 것으로 나타났다.
• 자화-탄성 결합과 동적 진동수 조절의 병합 효과로 Néel 벡터가 0.3° 만큼 기울어졌으며, 이는 ISHE를 통한 Pt로의 효율적 스핀전류 주입을 가능하게 하였다.