[論文レビュー] Light-driven ultrafast phonomagnetism

D. Afanasiev, J. R. Hortensius+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 49被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、イットルジン酸イットル (DyFeO₃) において、共鳴的中赤外パルスが一貫した格子振動モードを励起し、ピコ秒スケールで非平衡状態のスピン再配列を誘発することで、光駆動型超高速フォノ磁性を示す。格子歪みが磁気エネルギー障壁を低下させ、異方的交換相互作用の超高速制御により、エネルギー散逸を最小限に抑えたスピンエンコードが可能となる。

ABSTRACT

Exciting atomic oscillations with light is a powerful technique to control the electronic properties of materials, leading to remarkable phenomena such as light-induced superconductivity and ultrafast insulator to metal transitions. Here we show that light-driven lattice vibrations can be utilised to encode efficiently spin information in a magnetic medium. Intense mid-infrared electric field pulses, tuned to resonance with a vibrational normal mode of antiferromagnetic DyFeO3, drive the emergence of long-living weak ferromagnetic order. Light-driven phonon displacements promptly lower the energy barrier separating competing magnetic states, allowing the alignment of spins to occur within a few picoseconds, via non-equilibrium dynamics of the magnetic energy landscape.

研究の動機と目的

• 共鳴的フォノン励起を用いて、多フェロイック材料における超高速で熱的でない磁気秩序の制御を実証すること。
• 熱化を伴わず、光誘発の磁気対称性破れと長寿命な弱い強磁性秩序を達成すること。
• 格子駆動による磁気ポテンシャル障壁の変更を通じて、超低エネルギーで一貫した超高速スピンスイッチングの道筋を確立すること。
• 超高速磁気相転移においてフォノンポンピングと熱駆動メカニズムを区別すること。

提案手法

• 85 meV の共鳴的中赤外電場パルスを用いて、DyFeO₃ における B₁u 格子振動モードを一貫して励起する。
• 時間分解磁気光学ファラデー回転測定により、スピン再配列および誘発された磁化の超高速ダイナミクスを測定する。
• モアイン転移 (Tₘ = 51 K) の周囲でパラメータを変化させたポンププローブ実験により、相転移キネティクスを調査する。
• 一時的信号のフーリエ変換解析により、ソフトフォノンモードおよびスピン進動の周波数と減衰ダイナミクスを抽出する。
• 上バンドギャップの可視光励起 (2.3–3.1 eV) と比較することで、熱的でないフォノン駆動ダイナミクスと熱誘発プロセスを分離する。
• 磁場の適用により弱い強磁性状態の degeneracy が解除され、ファラデー回転を用いた光誘発磁化の検出が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一貫した格子振動（フォノン）は、多フェロイック材料において超高速で熱的でない磁気相転移を誘発できるか？
• RQ2 フォノン駆動の格子歪みは、磁気異方性エネルギー障壁の地形をどのように変化させるか？
• RQ3 フォノンポンピングと熱駆動メカニズムを、スピン再配列の時間スケールおよび効率の観点から比較するとどうなるか？
• RQ4 光誘発の磁気対称性破れは、反強磁性状態の基体において長寿命な強磁性秩序を生じさせ得るか？
• RQ5 格子制御による磁気エネルギー障壁の超高速低減の背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• 85 meV の共鳴的中赤外パルスが、B₁u フォノンモードを一貫して励起し、1ピコ秒未塔でスピン再配列を誘発する。
• 誘発された弱い強磁性秩序は1ナノ秒以上にわたり持続し、非平衡状態の長寿命磁性を示す。
• 磁気ポテンシャル障壁は、異方的交換相互作用の格子駆動による変調によって低減され、超高速スピン整列が可能となる。
• 相転移は1回のスピン進動周期より短い時間スケールで進行しており、熱的でなく一貫したダイナミクスであることが示唆される。
• 熱駆動転移（≥100 ps）と比較して、フォノンポンピングは30 ps未塔で磁気スイッチングを達成し、磁化の発生が10倍速い。
• 顕著な磁化が観測されるためのしきい値パルスフラクチュエは15.8 mJ/cm²であり、温度および磁場依存性を示しており、外部磁場の適用に伴い転移領域がシフトする。