[论文解读] Terahertz spin dynamics in rare-earth orthoferrites

Xinwei Li, Dasom Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本文综述了稀土 orthoferrites 中的太赫兹（THz）自旋动力学，重点探讨了自旋激发的太赫兹光谱、超快激光对磁序的调控、相干太赫兹自旋波的操控，以及与量子光学现象（如Dicke超辐射相变）的关联。主要贡献在于建立了一个统一框架，将太赫兹自旋现象与反铁磁自旋电子学应用及量子相工程联系起来。

ABSTRACT

Recent interest in developing fast spintronic devices and laser-controllable magnetic solids has sparked tremendous experimental and theoretical efforts to understand and manipulate ultrafast dynamics in materials. Studies of spin dynamics in the terahertz (THz) frequency range are particularly important for elucidating microscopic pathways toward novel device functionalities. Here, we review THz phenomena related to spin dynamics in rare-earth orthoferrites, a class of materials promising for antiferromagnetic spintronics. We expand this topic into a description of four key elements. (1) We start by describing THz spectroscopy of spin excitations for probing magnetic phase transitions in thermal equilibrium. While acoustic magnons are useful indicators of spin reorientation transitions, electromagnons that arise from dynamic magnetoelectric couplings serve as a signature of inversion-symmetry-breaking phases at low temperatures. (2) We then review the strong laser driving scenario, where the system is excited far from equilibrium and thereby subject to modifications to the free energy landscape. Microscopic pathways for ultrafast laser manipulation of magnetic order are discussed. (3) Furthermore, we review a variety of protocols to manipulate coherent THz magnons in time and space, which are useful capabilities for antiferromagnetic spintronic applications. (4) Finally, new insights on the connection between dynamic magnetic coupling in condensed matter and the Dicke superradiant phase transition in quantum optics are provided. By presenting a review on an array of THz spin phenomena occurring in a single class of materials, we hope to trigger interdisciplinary efforts that actively seek connections between subfields of spintronics, which will facilitate the invention of new protocols of active spin control and quantum phase engineering.

研究动机与目标

• 理解并绘制稀土 orthoferrites 中太赫兹自旋激发，作为磁相变探测手段。
• 探索远离平衡态下超快激光驱动的磁序调控。
• 为时间与空间上相干控制太赫兹自旋波以实现自旋电子学应用，开发调控协议。
• 建立凝聚态中动态磁耦合与量子光学中 Dicke 超辐射相变之间的联系。
• 激发跨学科研究，连接自旋电子学、超快光学与量子相工程。

提出的方法

• 利用太赫兹光谱探测热平衡态下的自旋激发，识别声学自旋波与电磁自旋波。
• 分析强激光驱动情形，以改变吉布斯自由能景观并诱导非平衡磁态。
• 采用时间与空间分辨的调控协议，生成并控制相干太赫兹自旋波。
• 在理论层面建立 orthoferrites 中动态磁耦合与量子光学中 Dicke 超辐射相变之间的类比。
• 将实验观测与理论模型相结合，描述磁电耦合与自旋取向转变。
• 综述现有实验与理论框架，识别主动自旋调控与量子相工程的实现路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹光谱测量如何揭示稀土 orthoferrites 中的磁相变？
• RQ2 在这些材料中，实现超快激光调控磁序的微观机制是什么？
• RQ3 如何在时间和空间上操控相干太赫兹自旋波以应用于自旋电子学？
• RQ4 凝聚态中动态磁耦合与 Dicke 超辐射相变之间的本质联系是什么？
• RQ5 从这一跨学科框架中，可涌现出哪些新型主动自旋调控与量子相工程协议？

主要发现

• 声学自旋波可作为稀土 orthoferrites 中自旋取向转变的可靠指标。
• 由动态磁电耦合产生的电磁自旋波，可指示低温下反演对称性破缺相。
• 强激光激发使系统远离平衡态，改变吉布斯自由能景观，实现超快磁控制。
• 相干太赫兹自旋波可在时间和空间上被操控，为反铁磁自旋电子学器件提供潜在应用。
• 在 orthoferrites 中的动态磁耦合与量子光学中 Dicke 超辐射相变之间建立了深刻类比。
• 本综述为跨学科研究奠定了基础，推动新型自旋调控协议与量子相工程的发展。