[論文レビュー] Ultrafast amplification and non-linear magneto-elastic coupling of coherent magnon modes in an antiferromagnet

Davide Bossini, Matteo Pancaldi+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 45被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、反強磁性NiO結晶内のドメイン壁を通じて、異なるコherentな磁気モード（THzおよびGHz）間の超高速で非線形な磁気弾性結合を実証した。可変パラメータのフェムト秒レーザーパルスを用いて励起子-磁気モード遷移を共鳴励起することで、ドメイン壁を介した結合を通じてGHzモードの光学的増幅を達成し、反強磁性体におけるスピンダイナミクスを制御する新たなメカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

We investigate the role of domain walls in the ultrafast magnon dynamics of an antiferromagnetic NiO single crystal in a pump-probe experiment with variable pump photon energy. Analysing the amplitude of the energy-dependent photo-induced ultrafast spin dynamics, we detect a yet unreported coupling between the material's characteristic THz- and a GHz-magnon modes. We explain this unexpected coupling between two orthogonal eigenstates of the corresponding Hamiltonian by modelling the magneto-elastic interaction between spins in different domains. We find that such interaction, in the non-linear regime, couples the two different magnon modes via the domain walls and it can be optically exploited via the exciton-magnon resonance.

研究の動機と目的

• 反強磁性NiOにおけるドメイン壁が超高速磁気モードダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• ドメイン壁が非線形領域における異なる磁気モード間の結合を媒介するかどうかを特定すること。
• 励起子-磁気モード遷移の共鳴励起を通じて、GHz磁気モードを光学的に増幅する可能性を検討すること。
• 観察された非線形結合をドメイン壁を介して説明するマクロな擬似モデルの構築。

提案手法

• 自由膜状でマルチドメインなNiO単結晶を用い、可変パラメータのポンプ光子エネルギー（0.92–1.07 eV）を用いたポンププローブ磁気光学実験を実施。
• 励起子-磁気モード（X-M）遷移に焦点を当て、0.97 eVでの共鳴励起により、高周波数（1.07 THz）の磁気モードをコherently励起。
• プローブビームの偏光状態の時間分解変化を測定し、110 GHz（低周波数モード）および約1.1 THzの高速成分におけるコherentな振動を検出。
• ポンプエネルギーを変化させたポンププローブトレースを分析し、エネルギー依存性のスピンダイナミクスを分離し、共鳴増幅を同定。
• 磁気弾性結合とドメイン壁効果を組み込んだマクロな擬似モデルを用い、直交する磁気モード間の非線形結合を説明。
• マルチドメインNiOのデータと単一ドメイン参照データを比較し、ドメイン壁寄与を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NiOにおける励起子-磁気モード共鳴は、フェムト秒スケールでTHz磁気モードをコherently励起するために利用可能か？
• RQ2 マルチドメイン反強磁性体におけるドメイン壁は、異なる磁気モード間の非線形結合を媒介するか？
• RQ3 ドメイン壁を介した結合を通じて、THz磁気モードを励起することで、GHz磁気モードを光学的に増幅することが可能か？
• RQ4 ドメイン壁における磁気弾性相互作用は、反強磁性体における超高速Néelベクトルダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• マルチドメインNiOにおいて、以前報告のない直交する磁気モード間の非線形結合が観測された。対象となるモードは1.07 THz（高周波数）および約130 GHz（低周波数）である。
• 0.97 eVでの共鳴ポンプ（励起子-磁気モード共鳴）により、1.07 THz磁気モードがコherently励起され、ドメイン壁を介した結合を通じて130 GHzモードが増幅された。
• GHzモードの増幅はマルチドメイン試料でのみ観測され、単一ドメインNiOでは観測されず、ドメイン壁の本質的役割が確認された。
• 非線形磁気弾性相互作用をドメイン壁で説明するマクロな擬似モデルにより、この結合メカニズムが解釈された。
• 信号における110 GHzの周波数は低周波数磁気モードに対応しており、わずかなずれは磁気歪み誘発歪み効果によるものである。
• 低温（T < 100 K）における励起子ピークとサイドバンドとのエネルギー差（約4 meV）は、高周波数磁気モードのエネルギーと一致し、共鳴励起が確認された。