[论文解读] Nonlinear terahertz Néel spin-orbit torques in antiferromagnetic Mn$_2$Au

Yannic Behovits, Alexander L. Chekhov+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 38被引用 2

一句话总结

本研究利用单周期太赫兹脉冲，在反铁磁Mn₂Au中实现了超快、非线性的Néel自旋轨道扭矩（NSOT），在1皮秒内诱导出高达30°的平面内Néel矢量偏转。通过飞秒磁光探测和微磁建模验证的动态行为表明，其扭矩系数为(150 ± 50) cm²/A·s，实现了潜在的电场驱动、产热最小化、亚皮秒级的反铁磁自旋开关。

ABSTRACT

Antiferromagnets have large potential for ultrafast coherent switching of magnetic order with minimum heat dissipation. In materials such as Mn2Au and CuMnAs, electric rather than magnetic fields may control antiferromagnetic order by Néel spin-orbit torques (NSOTs). However, these torques have not yet been observed on ultrafast time scales. Here, we excite Mn2Au thin films with phase-locked single-cycle terahertz electromagnetic pulses and monitor the spin response with femtosecond magneto-optic probes. We observe signals whose symmetry, dynamics, terahertz-field scaling and dependence on sample structure are fully consistent with a uniform in-plane antiferromagnetic magnon driven by field-like terahertz NSOTs with a torkance of (150 ± 50) cm2 A−1 s−1. At incident terahertz electric fields above 500 kV cm−1, we find pronounced nonlinear dynamics with massive Néel-vector deflections by as much as 30°. Our data are in excellent agreement with a micromagnetic model. It indicates that fully coherent Néel-vector switching by 90° within 1 ps is within close reach.

研究动机与目标

• 通过太赫兹Néel自旋轨道扭矩（NSOT）演示Mn₂Au中电场驱动的、超快、相干的反铁磁序开关。
• 利用飞秒时间分辨率探测强太赫兹场下Néel矢量的非线性动力学。
• 建立NSOT驱动的自旋动力学在反铁磁Mn₂Au中的对称性、场强依赖性和结构依赖性。
• 通过基于微磁模型的模拟验证实验结果，预测在1皮秒内实现完全相干的Néel矢量开关。

提出的方法

• 使用峰值电场高达500 kV/cm的相位锁定单周期太赫兹脉冲激发Mn₂Au薄膜。
• 通过飞秒磁光探测测量探测光束的偏振变化（ΔS）随泵浦-探测时延的变化。
• 系统性地改变太赫兹场极性、探测光偏振角（φpr）和样品方位角（φs），以分离对电场和Néel矢量均为奇性的信号。
• 基于公式(16)的微磁模型描述由场致NSOT驱动的平面内Néel矢量动力学，包含非线性项。
• 通过去卷积时间域脉冲响应，提取Néel矢量偏转的本征动力学。
• 分析信号对称性及与太赫兹场强的标度关系，以确认观测响应的来源为NSOT驱动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用单周期太赫兹脉冲在超快时间尺度上观测到Mn₂Au中的非线性Néel自旋轨道扭矩？
• RQ2 在强太赫兹激发下，Mn₂Au中NSOT的扭矩系数大小及其场强依赖性如何？
• RQ3 Néel矢量能被相干偏转多大程度？是否可在1皮秒内实现完整的90°开关？
• RQ4 观测信号的对称性和动力学特性在多大程度上证实了场致NSOT的存在，而非其他自旋轨道机制？

主要发现

• 从对电场为奇性的信号的场强标度关系中提取出(150 ± 50) cm²/A·s的扭矩系数，证实了Néel自旋轨道扭矩的存在。
• 在太赫兹电场超过500 kV/cm时，Néel矢量发生高达30°的大幅偏转，表明存在强烈的非线性动力学。
• 信号对太赫兹电场和Néel矢量均为奇性，与场致NSOT一致，排除了对称或磁场驱动贡献的可能性。
• 微磁建模证实，在最佳激发条件下，1皮秒内实现完全相干的Néel矢量90°开关是可行的。
• 通过去卷积提取的Néel矢量偏转时间域脉冲响应与模型预测一致，并揭示了相干振荡响应。
• 观测到的信号对称性和角度依赖性（如cos(2φpr − 2φs)）与NSOT驱动的平面内Néel矢量旋转完全一致。