[論文レビュー] Ferromagnetic dynamics detected via one- and two-magnon NV relaxometry

Brendan McCullian, Ahmed M. Thabt+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 48被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、窒素空孔（NV）中心における二準位励起状態のラマン的緩和過程を導入し、従来の単準位励起NV緩和測定では到達できなかった、NVスピン共鳴周波数を超えるマイクロ波周波数帯での強磁性体の動的挙動を検出する。主な発見は、高パワーのマイクロ波入射によりSuhl不安定性が発生し、非平衡状態の準位励起状態が生成され、それらが二準位励起過程を通じてNVの緩和を駆動することである。これにより、従来の周波数制限を超えた検出が可能となり、かつ、以前に説明がつかなかったNV応答における磁場シフトの原因も解明された。

ABSTRACT

The NV center in diamond has proven to be a powerful tool for locally characterizing the magnetic response of microwave excited ferromagnets. To date, this has been limited by the requirement that the FMR excitation frequency be less than the NV spin resonance frequency. Here we report NV relaxometry based on a two-magnon Raman-like process, enabling detection of FMR at frequencies higher than the NV frequency. For high microwave drive powers, we observe an unexpected field-shift of the NV response relative to a simultaneous microwave absorption signal from a low damping ferrite film. We show that the field-shifted NV response is due to a second order Suhl instability. The instability creates a large population of non-equilibrium magnons which relax the NV spin, even when the uniform mode FMR frequency exceeds that of the NV spin resonance frequency, hence ruling out the possibility that the NV is relaxed by a single NV-resonant magnon. We argue that at high frequencies the NV response is due to a two-magnon relaxation process in which the difference frequency of two magnons matches the NV frequency, and at low frequencies we evaluate the lineshape of the one-magnon NV relaxometry response using spinwave instability theory.

研究の動機と目的

• NV中心を用いた緩和測定の周波数範囲を、NVスピン共鳴周波数を超えて拡張すること。
• 高パワーのマイクロ波入射下における低減衰性フェリット膜のマイクロ波吸収と比較して、実験的に観測されたNV応答の磁場シフトを説明すること。
• 高周波数帯でのNV応答が単準位励起共鳴ではなく、二準位励起緩和過程によって媒介されていることを示すこと。
• スピン波不安定性理論を用いて、単準位励起NV緩和測定の線形形状を特徴づけること。
• Suhl不安定性が非平衡状態の準位励起状態を生成し、それらがNV緩和を媒介する役割を確立すること。

提案手法

• ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心をナノスケールの磁気センサーとして用い、マイクロ波励起された強磁性体をプローブする。
• 二準位励起ラマン的緩和過程を採用し、二つの準位励起状態のエネルギー差がNVスピン共鳴周波数に一致するようにする。
• 高パワーのマイクロ波駆動下におけるNV緩和ダイナミクスを分析し、単準位励起行動とは異なる振る舞いを同定する。
• スピン波不安定性理論を適用して、低パワー下での単準位励起緩和測定の線形形状をモデル化する。
• 同時に測定されたマイクロ波吸収と比較することで、非平衡効果を分離する。
• Suhl不安定性が非平衡状態の準位励起状態の集団を生成し、それらがNVスピンの緩和を駆動していることを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV緩和測定は、NVスピン共鳴周波数を超えるマイクロ波周波数帯での強磁性体の動的挙動を検出可能か？
• RQ2 高パワーのマイクロ波入射下で観測された、NV応答とマイクロ波吸収との相対的な磁場シフトの原因は何か？
• RQ3 高周波数帯でのNV緩和は、単準位励起過程か、二準位励起過程によって媒介されているか？
• RQ4 スピン波不安定性は、強磁性体薄膜におけるNV緩和ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 非平衡状態の準位励起状態は、従来の周波数制限を超えてNV緩和を可能にする役割を果たしているか？

主な発見

• NVスピン共鳴周波数を超える周波数帯でのNV応答は、単準位励起共鳴ではなく、二準位励起緩和過程によって駆動されている。
• NV応答における磁場シフトは、二次のSuhl不安定性が非平衡状態の準位励起状態を生成することに起因する。
• Suhl不安定性により、非平衡状態の準位励起状態が多数生成され、それらがFMR周波数がNV周波数を超える状況でもNVスピンの緩和を駆動する。
• 低パワー下では、スピン波不安定性理論を用いて、単準位励起NV緩和測定の線形形状が良好にモデル化された。
• 二準位励起過程により、従来のNV緩和測定の周波数制限を超えた強磁性体動的挙動の検出が可能になった。
• 本研究の結果は、高周波数帯での観測されたNV応答が単準位励起緩和によって駆動されている可能性を排除した。