[论文解读] Launching magnons at terahertz speed with the spin Seebeck effect

Tom S. Seifert, Samridh Jaiswal+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 2

一句话总结

本研究通过自旋塞贝克效应在反铁磁钇铁石榴石中实现了超快自旋波生成，利用100 fs激光脉冲激发铂层，自旋流在约100 fs内产生。该过程由金属-绝缘体界面处的电子散射驱动，自旋动力学在约4 fs内被刻印到自旋波流中，实现了太赫兹速度的自旋调控，并为自旋电子学和光谱学开辟了新应用。

ABSTRACT

Understanding the transfer of spin angular momentum is essential in modern magnetism research. A model case is the generation of magnons in magnetic insulators by heating an adjacent metal film. Here, we reveal the initial steps of this spin Seebeck effect with <27fs time resolution using terahertz spectroscopy on bilayers of ferrimagnetic yttrium-iron garnet and platinum. Upon exciting the metal with an infrared laser pulse, a spin Seebeck current $j_ extrm{s}$ arises on the same ~100fs time scale on which the metal electrons thermalize. This observation highlights that efficient spin transfer critically relies on carrier multiplication and is driven by conduction electrons scattering off the metal-insulator interface. Analytical modeling shows that the electrons' dynamics are almost instantaneously imprinted onto $j_ extrm{s}$ because their spins have a correlation time of only ~4fs and deflect the ferrimagnetic moments without inertia. Applications in material characterization, interface probing, spin-noise spectroscopy and terahertz spin pumping emerge.

研究动机与目标

• 理解通过自旋塞贝克效应在磁性绝缘体中传递自旋角动量的初始动力学过程。
• 研究在金属-绝缘体异质结中金属被激光激发后自旋波生成的时间尺度。
• 确定金属-绝缘体界面处电子散射在驱动自旋流和自旋波激发中的作用。
• 探索超快自旋塞贝克效应在太赫兹自旋泵浦和材料表征中的潜力。

提出的方法

• 采用时间分辨率小于27 fs的超快太赫兹光谱技术，探测Pt/YIG异质结中的自旋动力学。
• 红外激光脉冲激发铂层，引发电子热化并随后生成自旋流。
• 在约100 fs的时间尺度上测量了自旋塞贝克电流 $j_{\text{spin}}$，与电子热化过程一致。
• 通过解析建模将电子动力学与自旋流关联，揭示了自旋取向的相关时间为约4 fs。
• 分析系统的响应以分离载流子倍增和界面散射的作用。
• 反铁磁钇铁石榴石（YIG）作为磁性绝缘体，铂作为自旋源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt/YIG异质结中，激光激发后自旋流生成的时间演化如何？
• RQ2 电子在金属中热化后，自旋塞贝克电流 $j_{\text{spin}}$ 多快建立？
• RQ3 金属-绝缘体界面处的电子散射在驱动自旋塞贝克效应中起什么作用？
• RQ4 自旋角动量动力学多快被刻印到自旋波流上？
• RQ5 自旋塞贝克效应能否用于在太赫兹频率下生成自旋波？

主要发现

• 自旋塞贝克电流 $j_{\text{spin}}$ 在约100 fs的时间尺度内出现，与铂层中电子热化过程同步。
• 自旋动力学在约4 fs内被刻印到自旋波流上，表明自旋取向的相关时间极短。
• 高效的自旋传递关键依赖于载流子倍增和金属-绝缘体界面处的电子散射。
• 反铁磁磁矩重取向无惯性，使其对自旋流具有超快响应。
• 该系统实现了太赫兹速度的自旋泵浦，具有在自旋噪声光谱学和界面探测中应用的潜力。
• 解析建模证实电子动力学几乎瞬时传递到自旋流，验证了该过程的超快特性。