[论文解读] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin-phonon interactions

E. Rongione, O. Gueckstock+18 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 2

一句话总结

本研究通过两种不同的机制，在NiO/Pt双异质结中实现了1 THz频率下的超快、相干太赫兹自旋波发射：一种是在(111)取向NiO中的直接非共振光学自旋力矩（ICME），另一种是在(001)取向NiO中的应变介导自旋-声子耦合。关键结果是识别出两条具有截然不同时间尺度的激发路径——直接光学激发的响应时间小于50 fs，而应变诱导的动力学过程超过300 fs——从而实现了在反铁磁自旋电子器件中可调谐、窄带宽的太赫兹发射。

ABSTRACT

Antiferromagnetic materials have been proposed as new types of narrowband THz spintronic devices owing to their ultrafast spin dynamics. Manipulating coherently their spin dynamics, however, remains a key challenge that is envisioned to be accomplished by spin-orbit torques or direct optical excitations. Here, we demonstrate the combined generation of broadband THz (incoherent) magnons and narrowband (coherent) magnons at 1 THz in low damping thin films of NiO/Pt. We evidence, experimentally and through modelling, two excitation processes of magnetization dynamics in NiO, an off-resonant instantaneous optical spin torque and a strain-wave-induced THz torque induced by ultrafast Pt excitation. Both phenomena lead to the emission of a THz signal through the inverse spin Hall effect in the adjacent heavy metal layer. We unravel the characteristic timescales of the two excitation processes found to be < 50 fs and > 300 fs, respectively, and thus open new routes towards the development of fast opto-spintronic devices based on antiferromagnetic materials.

研究动机与目标

• 识别并区分反铁磁绝缘体中相干太赫兹自旋波激发的超快机制。
• 在NiO/Pt异质结中实现窄带（1 THz）与宽带太赫兹发射的演示。
• 通过太赫兹发射的角依赖性测绘，将自旋波生成机制与NiO的晶体取向关联起来。
• 量化不同激发路径下自旋电流上升与衰减的时间尺度。
• 阐明自旋-声子相互作用与光学自旋力矩在反铁磁绝缘体中驱动相干自旋波动力学的作用。

提出的方法

• 采用脉宽为100 fs的超快近红外飞秒激光脉冲，以正入射方式激发NiO/Pt双异质结。
• 利用ZnTe晶体作为探测器，通过时域光谱法测量太赫兹发射。
• 通过映射太赫兹发射的角依赖性，关联其偏振特性与NiO的晶体取向。
• 采用理论建模以区分直接光学自旋力矩（ICME）与应变诱导自旋-声子耦合机制。
• 通过Pt层中的逆自旋霍尔效应（ISHE）分析自旋电流动力学，将自旋流转换为可测量的电荷流。
• 建模中包括相干应变波与非相干晶格加热的贡献，扭矩项与磁致伸缩常数及应变分量成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NiO/Pt异质结中，导致相干太赫兹自旋波发射的主导激发机制是什么？
• RQ2 直接光学自旋力矩与自旋-声子耦合路径在自旋电流生成的时间尺度上存在何种差异？
• RQ3 为何仅在(001)取向NiO薄膜中观察到相干1 THz发射，而在(111)取向薄膜中未观察到？
• RQ4 NiO的晶体取向如何影响太赫兹发射的偏振依赖性与对称性？
• RQ5 应变诱导的交换相互作用与磁各向异性变化在多大程度上贡献于观测到的自旋波动力学？

主要发现

• 在(001)取向NiO/Pt双异质结中实验观测到相干1 THz自旋波发射，其频率为1.1 THz，与NiO的高频自旋波分支一致。
• 在(111)取向NiO中，直接光学自旋力矩机制（ICME）的自旋电流上升时间小于50 fs，受限于实验时间分辨率。
• 在(001)取向NiO中，应变介导的自旋-声子耦合导致自旋电流衰减时间超过300 fs，表明该过程具有更长的激发寿命。
• 太赫兹发射的角分布测绘结果证实，发射机制与Néel矢量取向直接相关，其偏振特性可区分(111)与(001)取向。
• 建模结果表明，相干应变波与非相干晶格加热均对Néel矢量的扭矩有贡献，其中前者驱动了相干1 THz振荡。
• 磁致伸缩耦合与动态应变调制的共同作用导致Néel矢量发生0.3°的偏转，从而通过ISHE实现高效的自旋流注入至Pt层。