[论文解读] Optical spin transfer in ferromagnetic semiconductors

J. Fernández‐Rossier, Alvaro S. Núñez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2003

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文提出，圆偏振激光脉冲可通过光学方式将自旋角动量转移至(III,Mn)V铁磁半导体中的集体磁化，从而实现对磁化动力学的全光控制。通过在朗道-李夫希茨方程中引入自旋转移项，作者数值证明，经过设计的激光脉冲可在纳秒 timescale 内诱导铁磁共振，并在易磁化轴之间实现磁化翻转。

ABSTRACT

Circularly polarized laser pulses that excite electron-hole pairs across the band gap of (III,Mn)V ferromagnetic semiconductors can be used to manipulate and to study collective magnetization dynamics. The initial spin orientation of a photocarrier in a (III,V) semiconductors is determined by the polarization state of the laser. We show that the photocarrier spin can be irreversibly transferred to the collective magnetization, whose dynamics can consequently be flexibly controlled by suitably chosen laser pulses. As illustrations we demonstrate the feasibility of all optical ferromagnetic resonance and optical magnetization reorientation.

研究动机与目标

• 开发基于圆偏振光的铁磁半导体中光学自旋转移的理论框架。
• 在不使用电流的情况下，利用光生载流子自旋极化，实现对集体磁化动力学的控制。
• 展示利用定制激光脉冲实现全光铁磁共振和磁化重取向的可行性。
• 使用扩展的朗道-李夫希茨方程，对光生载流子向集体磁化的不可逆角动量转移进行建模。
• 将理论预测与( Ga,Mn)As中的实验观测相联系，特别是自旋退相干和磁各向异性方面。

提出的方法

• 在朗道-李夫希茨方程中引入自旋转移力矩项，以描述光生载流子与集体磁化之间不可逆的角动量交换。
• 采用平均场模型描述(Ga,Mn)As，包含$δ\cdot\vec{p}$哈密顿量以及导带电子与Mn d电子之间的有效交换相互作用$J_{sd}$。
• 利用主方程方法和'系统加热库'形式，对光生载流子自旋密度和退相干进行建模，其中热库为Mn空穴系统的自旋波浴。
• 通过二阶微扰论和费米黄金规则计算自旋退相干时间$T_2$，考虑自旋波发射与吸收过程。
• 数值求解扩展的朗道-李夫希茨方程，模拟激光激发下的磁化动力学。
• 在总能量$\mathcal{E}(\vec{M})$中引入自旋-轨道耦合和晶体学轴取向依赖的磁各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆偏振激光脉冲是否能在(III,Mn)V铁磁半导体中实现对集体磁化的不可逆自旋转移？
• RQ2 在无电流条件下，激光脉冲在多大程度上可控制铁磁共振和磁化重取向？
• RQ3 自旋退相干和自旋波散射在限制光学自旋转移效率方面起什么作用？
• RQ4 在扩展的朗道-李夫希茨框架中，光生载流子自旋极化与集体磁化动力学之间的相互作用如何体现？
• RQ5 该理论模型能否解释近期在(Ga,Mn)As中观测到的光学取向和磁化翻转现象？

主要发现

• 圆偏振激光脉冲可不可逆地将自旋角动量从光生载流子转移至(III,Mn)V半导体中的集体磁化。
• 数值模拟证实，具有特定持续时间、强度和传播方向的激光脉冲可诱导全光铁磁共振。
• 通过受控的光学自旋转移，可在纳秒时间尺度实现磁化在易磁化轴之间的切换，从而实现全光磁开关。
• 自旋退相干时间$T_2$通过主方程框架中的二阶微扰论计算得出，其贡献来自自旋波的发射与吸收。
• 扩展的朗道-李夫希茨方程中的自旋转移力矩项成功捕捉了不可逆的角动量交换，实现了对磁化的动态控制。
• 该理论模型能够解释由自旋-轨道耦合和晶体学轴取向引起的磁各向异性，与(Ga,Mn)As中的实验观测一致。