[論文レビュー] Laser-induced topological spin switching in a 2D van der Waals magnet

Maya Khela, Maciej Dąbrowski+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2023

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒レーザーパルスを用いて、2次元 CrGeTe₃ バリウムウェーブ磁性体におけるレーザー誘発・可逆的トポロジカルスピンスイッチングを実証した。レーザー駆動の電子加熱とスピンダイナミクスを活用することで、ピコ秒スケールでスピンの生成と、スカイミオン、アンチスカイミオン、スカイミオンイウム、ストライプドメイン間の切り替えが超高速かつ調整可能に実現された。制御はレーザーエネルギーと外部磁場によって行われる。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnets represent one of the most promising horizons for energy-efficient spintronic applications because their broad range of electronic, magnetic and topological properties. Of particular interest is the control of the magnetic properties of 2D materials by femtosecond laser pulses which can provide a real path for low-power consumption device platforms in data storage industries. However, little is known about the interplay between light and spin properties in vdW layers. Here, combining large-scale spin dynamics simulations including biquadratic exchange interactions and wide-field Kerr microscopy (WFKM), we show that ultrafast laser excitation can not only generate different type of spin textures in CrGeTe$_3$ vdW magnets but also induce a reversible transformation between them in a toggle-switch mechanism. Our calculations show that skyrmions, anti-skyrmions, skyrmioniums and stripe domains can be generated via high-intense laser pulses within the picosecond regime. The effect is tunable with the laser energy where different spin behaviours can be selected, such as fast demagnetisation process ($\sim$250 fs) important for information technologies. The phase transformation between the different topological spin textures is obtained as additional laser pulses are applied to the system where the polarisation and final state of the spins can be controlled by external magnetic fields. We experimentally confirmed the creation, manipulation and toggle switching phenomena in CrGeTe$_3$ due to the unique aspect of laser-induced heating of electrons. Our results indicate laser-driven spin textures on 2D magnets as a pathway towards ultrafast reconfigurable architecture at the atomistic level.

研究の動機と目的

• 超高速レーザーパルスを用いて2次元ファンデルワールス磁性体におけるトポロジカルスピンテクスチャの誘発と制御の可能性を検討すること。
• 中心対称性を示す CrGeTe₃ における光励起とスピンダイナミクスの相乗作用を調査すること。ここでは、このような効果は以前報告がなかった。
• 実験的および理論的に、レーザーパルスが高精度で調整可能な複数のトポロジカルスピン状態を生成し、それらを可逆的にスイッチングできることを実証すること。
• 原子層スケールの磁性材料を基盤とする、すべて光による、超高速かつ再構成可能なスピントロニクス素子への道筋を確立すること。

提案手法

• フェムト秒レーザー励起後の電子および格子加熱を記述する二温度モデル（2TM）と結合したランダウ＝リフシッツ＝ギルバート（LLG）方程式を用いた大規模スピンダイナミクスシミュレーション。
• CrGeTe₃ における磁気異方性およびトポロジカルテクスチャを正確にモデル化するため、二重交換相互作用およびジャローシュキン＝モリスキー相互作用をスピンハミルトニアンに組み込む。
• 全反射型ケル効果顕微鏡（WFKM）を用いて、垂直方向磁化を実験的に検出し、空間的にスピンテクスチャを画像化する。
• 1035 nm の線形偏光レーザーパルス（300 fs、1 MHz）を用い、100 µm のスポットに集光し、45° の入射角でスピンテクスチャの形成とスイッチングを誘発する。
• 離散スピン格子上で三角形分割法を用いてトポロジカル電荷を計算し、スカイミオン（N_sk = -1）、アンチスカイミオン（N_sk = +1）、スカイミオンイウム（N_sk = 0）を同定する。
• レーザーパルスエネルギーおよびパルス数を系統的に変化させ、得られるスピンテクスチャの調整および外部磁場下での可逆性を検証する。

Figure 1: Laser-induced demagnetisation processes and spin textures. a, Schematic of the ultrafast laser pulses with linear polarisation $\pi$ on CrGeTe 3 . b, Evolution of the electronic ( $T_{\rm elec}$ ) and phonon ( $T_{\rm phon}$ ) temperatures using the 2TM approach after the application of a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高速レーザーパルスは、CrGeTe₃ などの2次元ファンデルワールス磁性体において、スカイミオンやアンチスカイミオンのようなトポロジカルに非自明なスピンテクスチャの形成を誘発できるか？
• RQ2 異なるスピンテクスチャ間のレーザー誘発変換は、外部磁場によって可逆的かつ制御可能か？
• RQ3 レーザーパルスエネルギーおよびパルス数が、最終的なスピンテクスチャおよびそのトポロジカル特性に与える影響は何か？
• RQ4 レーザー励起後のスピンダイナミクスの時間発展が、なぜピコ秒スケールで安定したトポロジカルテクスチャを生成するのか？
• RQ5 LLGシミュレーションと組み合わせた二温度モデル（2TM）は、超高速スピントロニクス現象における実験的結果をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 300 fs、1035 nm の超高速レーザーパルスが、CrGeTe₃ においてピコ秒スケールでスカイミオン、アンチスカイミオン、スカイミオンイウム、ストライプドメインの形成を誘発した。
• 熱的平衡に達後もトポロジカルスピンテクスチャは安定しており、追加のレーザーパルスによって異なる状態間を可逆的にスイッチング可能である。
• スカイミオンとストライプドメイン間の変換は、広視野ケル顕微鏡を用いて実験的に観察され、複数サイクルにわたってもスイッチングの忠実度が維持された。
• レーザーパルスエネルギーにより、最終的なスピンテクスチャの制御が可能であり、約250 fs で急速な磁化消去が発生した。これは低消費電力情報技術に適している。
• 外部磁場により、最終的なスピン状態の極性が制御され、スカイミオンおよびアンチスカイミオンのヘリシティの決定的スイッチングが可能になった。
• LLG-2TMモデルを用いた理論的シミュレーションは、実験データと良好に一致しており、超高速励起後の長時間スケールスピンダイナミクスをシミュレートする手法の妥当性が裏付けられた。

Figure 2: Fluence-dependent spin textures. a, Final topological charge ( $N_{\rm sk}$ ) versus energy fluence (mJ cm -2 ) of the applied laser. The different energies determine the spin states created in CrGeTe 3 within the range considered: spin polarised ferromagnetic (FM), magnetic stripes, skyrm