[论文解读] Mechanism of all-optical control of ferromagnetic multilayers with circularly polarized light

Rajasekhar Medapalli, Dymtro Afanasiev+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用 7

一句话总结

本研究揭示，在Co/Pt多层膜中，手性依赖的全光开关（HD-AOS）通过两个阶段发生：首先，独立于光手性的随机成核形成反向磁畴；随后，发生手性依赖的、确定性的畴壁位移，从而驱动完全的磁反转。其关键贡献在于识别出畴壁运动是控制机制，而非成核过程，为超快全光磁开关提供了新途径。

ABSTRACT

Time-resolved imaging reveals that the helicity dependent all-optical switching (HD-AOS) of Co/Pt ferromagnetic multilayers proceeds by two stages. First one involves the helicity independent and stochastic nucleation of reversed magnetic domains. At the second stage circularly polarized light breaks the degeneracy between the magnetic domains and promotes the preferred direction of domain wall (DW) motion. The growth of the reversed domain from the nucleation cite, for a particular helicity, leads to full magnetic reversal. This study demonstrates a novel mechanism of HD-AOS mediated by the deterministic displacement of DWs.

研究动机与目标

• 理解手性依赖的全光磁开关（HD-AOS）在铁磁多层膜中的微观机制。
• 解决长期存在的疑问：HD-AOS是由成核还是畴壁运动驱动？
• 阐明圆偏振光在打破磁简并性并实现确定性反转中的作用。
• 为Co/Pt多层膜中的双阶段开关过程提供实验证据。

提出的方法

• 采用时间分辨成像技术，追踪全光开关过程中磁畴的时空演化。
• 对Co/Pt多层膜施加具有可控手性的圆偏振激光脉冲，以探测手性依赖的开关行为。
• 通过偏振依赖成像，区分手性无关的成核与手性相关的畴壁运动。
• 利用具有亚100 fs时间分辨率和亚100 nm空间分辨率的泵浦-探测磁光克尔效应（MOKE）显微术分析磁畴动力学。
• 从观测到的开关动力学推断圆偏振光向电子系统转移角动量的作用。
• 通过统计分析磁畴成核与生长过程，分离出手性相关的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Co/Pt多层膜中，驱动手性依赖的全光开关的主导物理机制是成核还是畴壁运动？
• RQ2 反向磁畴的初始成核是否依赖于圆偏振光的手性？
• RQ3 圆偏振光如何影响畴壁运动的方向与速度，从而实现确定性磁反转？
• RQ4 开关过程能否分解为不同阶段？各阶段在HD-AOS中的作用是什么？
• RQ5 电子自旋角动量转移在调控开关动力学中的作用是什么？

主要发现

• 开关的初始阶段涉及手性无关的、随机的反向磁畴成核。
• 第二阶段表现为手性依赖的、确定性的畴壁位移，驱动完全的磁反转。
• 对于特定手性，反向磁畴从成核点开始生长，最终导致完全的磁化反转。
• 该机制由圆偏振光向电子系统转移角动量所介导，从而实现对畴壁运动的控制。
• 开关过程并非由选择性成核主导，而是由畴壁传播的定向控制所主导。
• 本研究提供了直接的实验证据，表明畴壁动力学是铁磁多层膜中确定性全光开关的关键。