[论文解读] All-Optical Generation of Antiferromagnetic Magnon Currents via the Magnon Circular Photogalvanic Effect

Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 63被引用 19

一句话总结

本文提出一种全光学方法，通过受激拉曼散射实现蜂窝反铁磁绝缘体中定向自旋波电流的产生，其机制为自旋波圆极化光电流效应（MCPGE）。该效应可通过激光偏振态和入射角调控自旋波电流的方向与大小，且在铂接触中可实现实验可测的逆自旋霍尔电压，确立了光学自旋波电流产生的一阶主导机制。

ABSTRACT

We introduce the magnon circular photogalvanic effect enabled by stimulated Raman scattering. This provides an all-optical pathway to the generation of directed magnon currents with circularly polarized light in honeycomb antiferromagnetic insulators. The effect is the leading order contribution to magnon photocurrent generation via optical fields. Control of the magnon current by the polarization and angle of incidence of the laser is demonstrated. Experimental detection by sizeable inverse spin Hall voltages in platinum contacts is proposed.

研究动机与目标

• 建立反铁磁绝缘体中全光学产生定向自旋波电流的理论基础。
• 识别自旋波圆极化光电流效应（MCPGE）为光学自旋波光生电流的主导贡献，优于较弱的磁偶极机制。
• 通过对称性保护的非线性光学响应，展示通过激光偏振态和入射角对自旋波电流的调控。
• 提出一种可行的实验探测方案，利用铂接触中的逆自旋霍尔效应（ISHE）实现可测量的电压信号。
• 提供一个适用于共线蜂窝反铁磁体的通用框架，并可通过对称性分析推广至其他磁点群。

提出的方法

• 对具有C3v对称性的共线蜂窝反铁磁体中的受激拉曼散射进行理论分析，通过二次电场依赖性建模光-物质耦合。
• 利用五阶光学非线性磁化率张量σijklm推导自旋波电流，其对称性约束使其简化为一个独立分量。
• 采用表达式⟨J⟩ = ζ Im(σ) cosθ sin²θ (sin2φ ˆey − cos2φ ˆex) 描述电流大小与方向作为激光入射角（θ）和偏振手性（ζ）的函数。
• 对称性分析表明，仅奇数阶非线性过程有贡献，三阶磁化率因对称性而消失，使五阶项成为主导项。
• 对铂接触中的逆自旋霍尔效应（ISHE）响应进行建模，将自旋波电流转换为可测量的电荷电压，假设自旋波衰减速率具有线性温度依赖性。
• 利用MnPS3的合理参数（S = 5/2, J1 = 1.54 meV, J2 = −0.14 meV等）进行ISHE电压的数值模拟，结果在低温下预测VISHE ∼1 mV。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆极化光能否通过全光学路径在反铁磁绝缘体中产生净的、定向的自旋波电流？
• RQ2 光学自旋波光生电流的主导机制是什么？与基于磁偶极的方案相比有何差异？
• RQ3 自旋波电流如何依赖于激光偏振态和入射角？是否可在实验中实现调控？
• RQ4 在现有实验装置下，生成的自旋波电流是否能在铂接触中产生可探测的逆自旋霍尔电压？
• RQ5 自旋波电流的温度依赖性如何？是否与MnPS3等材料中的实验观测一致？

主要发现

• 自旋波圆极化光电流效应（MCPGE）被确定为反铁磁绝缘体中光学自旋波光生电流的主导贡献，源于五阶非线性磁化率。
• 自旋波电流⟨J⟩与cosθ sin²θ成正比，表现出对激光偏振手性（ζ）和方位角φ的定向依赖，形成周期为2φ的花形角分布。
• 线性偏振光下电流为零，当θ ≈55°且φ = 45°时达到最大值，归一化峰值为Jmax。
• 在铂接触中预测可获得约1 mV的逆自旋霍尔电压，与直流自旋波电流实验中观测到的可实验探测水平一致。
• 自旋波电流随温度迅速衰减，在T ≈30 K时基本消失，与MnPS3中电流在该温度以上消失的实验观测一致。
• 该理论框架可推广至其他共线蜂窝反铁磁体，并通过对称性分析扩展至更广泛的磁点群。