[論文レビュー] Magnon-polarons in van der Waals antiferromagnet FePS3

Diana Václavková, Mainak Palit+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、外部磁場を用いて磁振子ギャップを調整することで、van der Waals反強磁性体FePS3において磁振子-フォノン準粒子（磁振子ポラロン）の形成を実証した。マグネト・ラーマンおよびテラヘルツ透過分光法を用いて、k=0における強い磁振子-フォノン結合を示す明確な回避クロスイングと光学活性の増大を観測した。これにより、反強磁性体光スピントロニクスにおける光-物質相互作用が可能となった。

ABSTRACT

The hybridization of magnons (spin waves) with phonons, if sufficiently strong and comprising long wavelength excitations, may offer a new playground when manipulating the magnetically ordered systems with light. Applying a magnetic field to a quasi-2D antiferromagnet, FePS3, we tune the magnon-gap excitation towards coincidence with the initially lower-in-energy phonon modes. Hybrid magnon-phonon modes, the magnon polarons are unveiled with demonstration of a pronounced avoided crossing between the otherwise bare magnon and phonon excitations. The magnon polarons in FePS3 are primary traced with Raman scattering experiments, but, as we show, they also couple directly to terahertz photons, what evokes their further explorations in the domain of antiferromagnetic optospintronics.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるFePS3の磁振子-フォノン結合を調査すること。
• 2次元磁性系におけるハイブリッド磁振子-フォノン準粒子（磁振子ポラロン）の出現を探索すること。
• 磁振子ポラロンが光学的にプローブ可能であり、テラヘルツ光子と結合可能かどうかを検証すること。
• 磁場を加えない状態におけるFePS3の磁振子モード分裂の起源を解明すること。

提案手法

• FePS3の磁振子ギャップを高磁場で調整し、低エネルギーのフォノンモードと交差させる。
• 微小ラーマン散乱を用いて、磁振子モードとフォノンモードの間の回避クロスイングを検出する。
• 遠赤外（FIR）透過スペクトルの測定により、磁振子ポラロンとテラヘルツ光子の直接的結合を調べる。
• 現象論的モデルを用いて、強度の変化および回避クロスイングの特徴を説明する。
• 温度依存ラーマンおよびFIR測定を実施し、磁振子およびフォノン共鳴の進化を追跡する。
• ラーマンおよびFIRデータの比較により、磁場による結合強度の調製によって効果的にハイブリダイズするフォノンを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FePS3のような2次元van der Waals反強磁性体において、磁場調整によって磁振子ポラロンが形成され、検出可能であるか？
• RQ2 FePS3における磁振子とフォノンの結合の性質は何か。光学的応答にどのように影響を与えるか？
• RQ3 磁振子ポラロンは直接的にテラヘルツ放射と結合可能であり、反強磁性系における光学的制御を可能にするか？
• RQ4 磁場を加えない状態で磁振子モードが分裂するのはなぜか。スピン-フォノン結合によるものである可能性は？
• RQ5 FePS3におけるどの特定のフォノンモードが効果的に磁振子とハイブリダイズするか。また、そのオシレーター強度は磁場の変化にどのように変化するか？

主な発見

• 高磁場下で磁振子ギャップがP1、P2、P3フォノンモードと交差する際、ラーマンスペクトルに明確な回避クロスイングが観測された。
• 磁振子ポラロンのハイブリダイゼーションにより、P1、P2、P3フォノンモードのオシレーター強度が顕著に増大し、強い結合を示している。
• FIR透過スペクトルに顕著な共鳴が観測されたことから、磁振子ポラロンがテラヘルツ光子と直接結合していることが裏付けられ、光学的活性が確認された。
• ゼロ磁場下での観測された磁振子モード分裂は、有効なスピン-フォノン結合に起因するとされ、反転対称性の破れを引き起こし、電気双極子遷移を可能にする可能性がある。
• ラーマンおよびFIRスペクトルの両方に観測されるフォノンのみが磁振子と強くハイブリダイズしており、特定の光学フォノンモードへの選択的結合を示している。
• 磁振子-フォノン結合の強度は磁場によって調整可能であり、磁振子ポラロンの形成および光学的応答の動的制御が可能である。