[论文解读] Inhomogeneous magnon scattering during ultrafast demagnetization

Ronny Knut, Erna K. Delczeg‐Czirjak+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本研究表明，由于在 Fe 相对于 Ni 中增强了自旋波生成，导致非均匀自旋波散射，解释了在超快激光激发下 NiFeCu 合金中 Ni 的延迟去磁化现象。通过采用具有时间依赖性生成与阻尼的自旋波扩散模型，作者表明，Cu 合金化增强了 Fe-Fe 交换相互作用，从而提高了自旋波散射，这解释了观察到的 Ni 磁响应延迟，且与 Py 和 PyCu 合金的实验数据一致。

ABSTRACT

Ni$_{0.8}$Fe$_{0.2}$ (Py) and Py alloyed with Cu exhibit intriguing ultrafast demagnetization behavior, where the Ni magnetic moment shows a delayed response relative to the Fe, an effect which is strongly enhanced by Cu alloying. We have studied a broad range of Cu concentrations to elucidate the effects of Cu alloying in Py. The orbital/spin magnetic moment ratios are largely unaffected by Cu alloying, signifying that Cu-induced changes in the ultrafast demagnetization are not related to spin-orbit interactions. We show that magnon diffusion can explain the delayed Ni response, which we attribute to an enhanced magnon generation rate in the Fe sublattice relative to the Ni sublattice. Furthermore, Py exhibits prominent RKKY-like exchange interactions, which are strongly enhanced between Fe atoms and diminished between Ni atoms by Cu alloying. An increased Fe magnon scattering rate is expected to occur concurrently with this increased Fe-Fe exchange interaction, supporting the results obtained from the magnon diffusion model.

研究动机与目标

• 理解在超快去磁化过程中 NiFe（Permalloy）和 NiFeCu 合金中 Ni 延迟去磁化响应的起源。
• 确定 Cu 合金化是否影响 NiFe 基体系中的自旋-轨道耦合或磁交换相互作用。
• 研究自旋波扩散与非均匀散射在解释亚晶格特异性去磁化动力学中的作用。
• 建立 Fe 和 Ni 中自旋波分布与亚晶格占据随时间演化的模型，以重现实验观察到的不对称性曲线。

提出的方法

• 采用三维自旋波动力学模型，利用来自自旋波色散关系 ω(k) = 2D(1−cos(kL))/ℏL² 的 k 依赖振幅与相位，模拟随时间演化的空间自旋波分布。
• 时间依赖的自旋波振幅通过 τG(k) = 1/(2αGω(k)) 引入 Gilbert 阻尼，阻尼分数 Aend 用于建模能量损失。
• 初始自旋波动量分布 N(k₀) 使用 700 K 下的玻色-爱因斯坦统计建模，加权于 √ω 和具有高斯时间卷积的时间积分生成速率 R(t)。
• Landau 阻尼寿命 τL(k₀) 通过实验数据估算，Γ(k₀) = 0.131(k₀−kL) eV，其中 kL = 0.296 Å⁻¹。
• 总亚晶格自旋波占据数 Sₜₒₜ_Fe(Ni)(t) 通过时间移位的自旋波分布与归一化生成速率 R(t) 的卷积计算得出。
• 归一化不对称性 A_Fe(Ni)(t) 由 Sₜₒₜ_Fe(Ni)(t) 导出，引入微小修正项 w 以匹配实验中 Fe 与 Ni 去磁化曲线的交叉行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 NiFeCu 合金中，尽管初始激发相似，Ni 的去磁化响应却滞后于 Fe？
• RQ2 Cu 合金化如何影响 NiFe 基合金中自旋波的生成与散射动力学？
• RQ3 由于 Cu 合金化导致的 Fe-Fe 与 Ni-Ni 交换相互作用变化，在超快去磁化中起多大作用？
• RQ4 具有非均匀散射的自旋波扩散能否解释观察到的亚晶格特异性去磁化不对称性？

主要发现

• Cu 合金化并未改变轨道/自旋磁矩比，表明观察到的去磁化延迟并非源于自旋-轨道耦合的变化。
• Ni 响应的延迟最合理的解释是 Fe 亚晶格中自旋波生成增强，导致非均匀自旋波散射与空间重分布。
• 由于 Cu 合金化导致的 Fe-Fe 交换相互作用增强，与更高的 Fe 自旋波散射速率相关，支持自旋波扩散模型。
• 通过引入时间依赖的生成速率 R(t) 和亚晶格特异性阻尼，该模型成功重现了实验中的不对称性曲线，包括 Fe 与 Ni 去磁化曲线的交叉。
• Landau 阻尼导致的自旋波寿命估计为 τL(k₀) = 2ℏ/Γ(k₀)，其中 Γ(k₀) = 0.131(k₀−0.296) eV，与实验数据一致。
• 对于 PyCu，模型采用 t_dis = 100 fs 以匹配 Ni 的去磁化延迟，而 remagnetization 研究中使用 t_dis = 400 fs，凸显了自旋波分布对激发条件的高度敏感性。