[论文解读] One-dimensional optomagnonic microcavities for selective excitation of perpendicular standing spin waves

V.A. Ozerov, D.A. Sylgacheva+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 60被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种利用超短激光脉冲选择性激发一维光磁微腔中特定阶数的垂直驻波自旋波（PSSWs）的方法。通过利用法布里-珀罗腔内磁性薄膜中产生的空间非均匀反法拉第效应（IFE）场，该技术能够选择性激发波矢与 IFE 场分布相匹配的 PSSW 模式，实现无需微波天线或复杂调谐机构的单模激发。

ABSTRACT

Here we propose a method of the excitation of perpendicular standing spin waves (PSSWs) of different orders in an optomagnonic microcavity by ultrashort laser pulses. The microcavity is formed by a magnetic dielectric film surrounded by dielectric non-magnetic Bragg mirrors. Optical cavity modes in the magnetic layer provide concentration and strongly non-uniform distribution of the optical power over the layer thickness and therefore induce the effective field of the inverse Faraday effect also spatially non-uniform. It results in excitation of PSSWs. PSSWs whose wavevector is closest to the wavevector characterizing distribution of the inverse Faraday effect field are excited most efficiently. Consequently, a key advantage of this approach is a selectivity of the PSSW excitation which allows to launch PSSWs of required orders only. All-optical operation of the optomagnonic cavities opens new possibilities for their applications for quantum technologies.

研究动机与目标

• 开发一种全光学方法，用于选择性激发磁性微腔中特定阶数的垂直驻波自旋波（PSSWs）。
• 克服基于微波的激发方法的局限性，如调谐性差、激发谱带宽宽，以及难以激发高阶 PSSW 模式。
• 利用夹在布拉格反射镜之间的磁性介质薄膜中的光学腔模，产生空间非均匀的 IFE 场。
• 通过将 IFE 场的波矢与目标 PSSW 模式的波矢匹配，实现单模 PSSW 激发。
• 展示一条通往能效高、微型化且可调谐的自旋电子器件用于量子技术的路径。

提出的方法

• 光磁微腔由一层薄磁性介质薄膜（如 YIG）夹在介质布拉格反射镜之间构成，形成法布里-珀罗腔，将光学模式限制在磁性层内。
• 超短圆偏振激光脉冲激发反法拉第效应（IFE），产生有效磁场 H_I FE ∝ Im(E × E*)，方向沿光波矢方向。
• 光学腔模在薄膜厚度方向上产生光学强度和 IFE 场的强烈非均匀空间分布，形成结构化的有效场。
• IFE 场分布的波矢决定了哪个 PSSW 模式被共振激发，从而实现对单一谐波（n ≠ 0）的选择性激发。
• 使用传输矩阵法和电磁仿真对光学模式和 IFE 场分布进行理论建模。
• 通过求解包含 IFE 驱动的有效场作为激励源的朗道-李夫希茨-吉尔伯特方程，计算自旋波激发振幅 A_n。

实验结果

研究问题

• RQ1 超短激光脉冲能否用于选择性激发磁性微腔中高阶垂直驻波自旋波（PSSW）模式？
• RQ2 反法拉第效应（IFE）场的空间分布如何影响 PSSW 激发的选择性？
• RQ3 磁性薄膜中的光学腔模在多大程度上能增强 IFE 场并实现模态特异性激发？
• RQ4 通过改变激光波长或入射角，能否实现对不同谐波阶数的 PSSW 激发调谐？
• RQ5 是否可能在不使用微波天线或复杂外部磁场配置的情况下实现单模 PSSW 激发？

主要发现

• 由光学腔模塑造的磁性薄膜中 IFE 场分布具有空间结构，其波矢与特定 PSSW 模式的波矢相匹配，从而实现选择性激发。
• 仅当 IFE 场波矢与某一 PSSW 模式波矢最接近时，该模式才被高效激发，而其他模式基本保持未激发状态。
• 该方法可实现对高阶 PSSW 模式（n > 0）的选择性激发，这些模式因场分布不均而难以通过传统微波天线激发。
• 当 IFE 场波矢与 PSSW 模式波矢匹配时，激发效率最高，表现出类似共振的行为。
• 该方法实现了全光学、可调谐且空间局域化的 PSSW 激发，克服了基于微波方法在带宽、分辨率和模态选择性方面的局限。
• 理论建模证实，光学腔限制可增强 IFE 场并实现对激发谱的精确控制，支持其在量子自旋电子学中的潜在应用。