[論文レビュー] Tuning the diffusion of magnon in Y3Fe5O12 by light excitation

Shuanhu Wang, Gang Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、光励起がY3Fe5O12（YIG）における磁振子拡散を動的にチューニングできることを示している。長波長（808–980 nm）では、室温で磁振子拡散長が136–156 µmにまで増加し、可視光（400–650 nm）の約30 µmと比較して4倍以上にのぼる。この効果は、Fe³⁺イオンにおける長波長レーザー誘発の高スピンから低スピンへの遷移に起因し、磁振子モードの軟化と拡散の増大を引き起こす。これにより、磁振子スピントロニクス応用のための能動的制御が可能となる。

ABSTRACT

Deliberate control of magnon transportation will lead to an energy-efficient technology for information transmission and processing. Y3Fe5O12(YIG), exhibiting extremely large magnon diffusion length due to the low magnetic damping constant, has been intensively investigated for decades. While most of the previous works focused on the determination of magnon diffusion length by various techniques, herein we demonstrated how to tune magnon diffusion by light excitation. We found that the diffusion length of thermal magnons is strongly dependent on light wavelength when the magnon is generated by exposing YIG directly to laser beam. The diffusion length, determined by a nonlocal geometry at room temperature, is ~30 um for the magnons produced by visible light (400-650 nm), and ~136-156 um for the laser between 808 nm and 980 nm. The diffusion distance is much longer than the reported value. In addition to thermal gradient, we found that light illumination affected the electron configuration of the Fe3+ ion in YIG. Long wavelength laser triggers a high spin to low spin state transition of the Fe3+ ions in FeO6 octahedron. This in turn causes a substantial softening of the magnon thus a dramatic increase in diffusion distance. The present work paves the way towards an efficient tuning of magnon transport behavior which is crucially important for magnon spintronics.

研究の動機と目的

• 低磁気減衰性のおかげで超長磁振子拡散長を示すYIGにおける磁振子輸送の動的・外部的制御を探索すること。
• 拡散長の受動的測定に関する広範な研究とは対照的に、磁振子拡散の能動的チューニング機構の欠如に取り組むこと。
• Fe³⁺イオンにおける電子的・磁気的遷移を誘発する光の波長が、磁振子輸送に与える影響を調査すること。
• 次世代磁振子スピントロニクスデバイスに不可欠な、能動的かつ完全に光による磁振子拡散制御の道筋を確立すること。

提案手法

• 室温下での磁振子拡散長測定に非局所的幾何構造を用い、レーザー励起されたYIG試料を用いた。
• 異なる波長（400–650 nmおよび808–980 nm）でのレーザー励起により、熱勾配を生成し、磁振子輸送ダイナミクスをプローブした。
• 非局所的熱電測定装置における温度依存電圧信号から、拡散長を抽出した。
• X線吸収スペクトロスコピーおよび電子構造解析を用いて、Fe³⁺スピン状態の光誘発変化と磁振子の軟化の相関を評価した。
• 理論的モデリングにより、観察された拡散増大が、FeO6六面体における高スピンから低スピンへの遷移に起因する磁振子エネルギーギャップの縮小と関連していることを示した。
• 異なるレーザー波長における拡散長の比較から、電子遷移に起因する強い波長依存性が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 入射光の波長は、Y3Fe5O12における磁振子拡散長にどのように影響するか？
• RQ2 YIGにおける長波長レーザー励起によって引き起こされるFe³⁺イオンの電子的または磁気的遷移は何か？
• RQ3 Fe³⁺スピン状態の光誘発変化は、磁振子モードの顕著な軟化と拡散の増大を引き起こすか？
• RQ4 受動的測定ではなく、光励起を用いた磁振子輸送の能動的チューニングは、どの程度可能か？
• RQ5 Fe³⁺における電子配置の変化が、YIGにおける磁振子ダイナミクスに果たす役割は何か？

主な発見

• YIGにおける磁振子拡散長は、可視光（400–650 nm）条件下で約30 µmであるのに対し、赤外光（808–980 nm）条件下では136–156 µmにまで増加した。
• 拡散の増大は、FeO6六面体内のFe³⁺イオンにおける光誘発の高スピンから低スピンへの遷移に起因し、磁振子エネルギーギャップの縮小が原因である。
• この遷移により、磁振子モードの顕著な軟化が生じ、これが磁振子拡散長の直接的な増加を引き起こした。
• この効果は波長依存性を示し、長波長（808–980 nm）ではより強い電子遷移とより大きな拡散増大が誘発された。
• 観察された拡散長は、これまでに報告された値を上回っており、磁振子輸送制御のための新しいメカニズムであることを示唆している。
• 本研究の結果は、YIGにおける磁振子輸送を動的にチューニング可能な実用的な全光的手法を示しており、スピントロニクス応用のための能動的制御を可能にする。