[论文解读] Ferromagnetic dynamics detected via one- and two-magnon NV relaxometry

Brendan McCullian, Ahmed M. Thabt+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 48被引用 6

一句话总结

本文提出了一种金刚石中氮-vacancy（NV）中心的双磁振子拉曼样弛豫过程，用于探测超过NV自旋共振频率的微波频率下的铁磁动力学——此前该频率范围无法通过传统的单磁振子NV弛豫测量实现。关键发现是：在高微波功率下，Suhl不稳定性产生非平衡磁振子，通过双磁振子过程驱动NV弛豫，从而突破传统频率限制并解释了此前未被解释的NV响应中的场移现象。

ABSTRACT

The NV center in diamond has proven to be a powerful tool for locally characterizing the magnetic response of microwave excited ferromagnets. To date, this has been limited by the requirement that the FMR excitation frequency be less than the NV spin resonance frequency. Here we report NV relaxometry based on a two-magnon Raman-like process, enabling detection of FMR at frequencies higher than the NV frequency. For high microwave drive powers, we observe an unexpected field-shift of the NV response relative to a simultaneous microwave absorption signal from a low damping ferrite film. We show that the field-shifted NV response is due to a second order Suhl instability. The instability creates a large population of non-equilibrium magnons which relax the NV spin, even when the uniform mode FMR frequency exceeds that of the NV spin resonance frequency, hence ruling out the possibility that the NV is relaxed by a single NV-resonant magnon. We argue that at high frequencies the NV response is due to a two-magnon relaxation process in which the difference frequency of two magnons matches the NV frequency, and at low frequencies we evaluate the lineshape of the one-magnon NV relaxometry response using spinwave instability theory.

研究动机与目标

• 将基于NV中心的弛豫测量频率范围扩展至超过NV自旋共振频率。
• 解释在高微波功率下低阻尼铁氧体薄膜中，NV响应相对于微波吸收出现的实验观测场移现象。
• 证明在高频下NV响应并非源于单磁振子共振，而是由双磁振子弛豫过程驱动。
• 利用自旋波不稳定性理论表征单磁振子NV弛豫测量的线型。
• 阐明Suhl不稳定性在产生非平衡磁振子并介导NV弛豫中的作用。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-vacancy（NV）中心作为纳米尺度磁传感器，探测微波激发的铁磁体。
• 采用双磁振子拉曼样弛豫过程，其中两个磁振子的能量差匹配NV自旋共振频率。
• 分析高微波驱动功率下的NV弛豫动力学，识别与单磁振子行为的偏离。
• 应用自旋波不稳定性理论，对低功率下的单磁振子弛豫测量线型进行建模。
• 将NV响应与同时进行的微波吸收测量进行比较，以分离非平衡效应。
• 识别Suhl不稳定性为非平衡磁振子群体的来源，这些磁振子介导了NV自旋的弛豫。

实验结果

研究问题

• RQ1 NV弛豫测量能否探测超过NV自旋共振频率的铁磁动力学？
• RQ2 在高微波功率下，NV响应相对于微波吸收出现的场移现象是由什么引起的？
• RQ3 在高频下，NV弛豫是由单磁振子还是双磁振子过程介导的？
• RQ4 自旋波不稳定性如何影响铁磁薄膜中NV的弛豫动力学？
• RQ5 非平衡磁振子在突破传统频率限制实现NV弛豫中起什么作用？

主要发现

• 在超过NV自旋共振频率的微波频率下，NV响应由双磁振子弛豫过程实现，而非单磁振子共振。
• NV响应相对于微波吸收出现的场移，归因于二级Suhl不稳定性产生非平衡磁振子。
• Suhl不稳定性导致大量非平衡磁振子产生，即使FMR频率超过NV频率，也能驱动NV弛豫。
• 在低微波功率下，利用自旋波不稳定性理论成功建模了单磁振子NV弛豫测量的线型。
• 双磁振子过程使铁磁动力学的探测突破了传统NV弛豫测量的频率极限。
• 结果排除了单磁振子弛豫作为高频下观测到的NV响应机制的可能性。