[论文解读] Time-domain observation of ballistic orbital-angular-momentum currents with giant relaxation length in tungsten

Tom S. Seifert, Dongwook Go+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究首次实现了对钨中弹道轨道角动量（OAM）电流的时间域观测，显示出约80 nm的巨大弛豫长度和约0.1 nm/fs的低传播速度。通过在Ni|W|SiO2异质结构中进行超快光激发，研究人员检测到其延迟和脉宽随W层厚度线性增加的太赫兹电荷电流脉冲，证实了长程OAM输运，并通过逆轨道Rashba-Edelstein效应高效地将OAM电流转换为可测量的电荷电流。

ABSTRACT

The emerging field of orbitronics exploits the electron orbital momentum $ extit{L}$. Compared to spin-polarized electrons, $ extit{L}$ may allow magnetic-information transfera with significantly higher density over longer distances in more materials. However, direct experimental observation of $ extit{L}$ currents, their extended propagation lengths and their conversion into charge currents has remained challenging. Here, we optically trigger ultrafast angular-momentum transport in Ni|W|SiO$_2$ thin-film stacks. The resulting terahertz charge-current bursts exhibit a marked delay and width that grow linearly with W thickness. We consistently ascribe these observations to a ballistic $ extit{L}$ current from Ni through W with giant decay length (~80 nm) and low velocity (~0.1 nm/fs). At the W/SiO$_2$ interface, the $ extit{L}$ flow is efficiently converted into a charge current by the inverse orbital Rashba-Edelstein effect, consistent with ab-initio calculations. Our findings establish orbitronic materials with long-distance ballistic $ extit{L}$ transport as possible candidates for future ultrafast devices and an approach to discriminate Hall- and Rashba-Edelstein-like conversion processes.

研究动机与目标

• 通过实验演示块体材料中轨道角动量（OAM）电流的弹道输运。
• 测量钨中OAM电流的弛豫长度和传播速度。
• 通过逆轨道Rashba-Edelstein效应，建立OAM电流与可测量电荷电流脉冲之间的直接联系。
• 将基于OAM的电流产生机制与传统的霍尔效应或自旋-Edelstein类似效应区分开来。

提出的方法

• 使用飞秒激光脉冲进行超快光激发，以在Ni|W|SiO2薄膜异质结构中触发角动量输运。
• 采用时间分辨太赫兹辐射光谱法，检测W/SiO2界面处产生的电荷电流脉冲。
• 系统性地改变钨层厚度，将电荷电流信号的延迟和持续时间与传播距离相关联。
• 通过从头算计算模拟逆轨道Rashba-Edelstein效应，并验证所观测到的电流转换机制。
• 分析信号延迟和脉宽随W层厚度的缩放关系，以提取OAM电流的弛豫长度和速度。
• 利用Ni作为OAM电流源，因其具有强自旋-轨道耦合，可使电子产生轨道角动量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在时间分辨条件下，实验观测到块状金属（如钨）中弹道轨道角动量电流？
• RQ2 在超快激发条件下，钨中OAM电流的弛豫长度和传播速度是多少？
• RQ3 在异质界面处，OAM电流在多大程度上可被转换为可测量的电荷电流？
• RQ4 所观测信号如何随钨层厚度变化，这对其输运机制有何含义？
• RQ5 在相同体系中，能否将逆轨道Rashba-Edelstein效应与其它电荷电流产生机制区分开来？

主要发现

• 太赫兹电荷电流脉冲的延迟和脉宽随钨层厚度线性增加，表明轨道角动量电流的弹道输运。
• 观测到的钨中OAM电流弛豫长度约为80 nm，远长于典型的自旋扩散长度。
• OAM电流的传播速度估计为约0.1 nm/fs，表明其为缓慢但相干的输运过程。
• 电荷电流脉冲与逆轨道Rashba-Edelstein效应一致，经从头算计算验证。
• 信号特征随W层厚度的线性缩放关系，为弹道输运而非扩散输运提供了有力证据。
• 结果展示了通过非磁性金属中轨道角动量实现长距离、超快信息传输的可行路径。