[论文解读] Tuning the diffusion of magnon in Y3Fe5O12 by light excitation

Shuanhu Wang, Gang Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用 7

一句话总结

本研究证明，光激发可动态调节Y3Fe5O12（YIG）中的自旋波扩散。使用较长波长（808–980 nm）的光时，室温下自旋波扩散长度可增至136–156 µm，超过使用可见光（400–650 nm）时的约30 µm，提升四倍以上。该效应源于长波长激光诱导Fe³⁺离子发生高自旋到低自旋的转变，软化自旋波模式并增强扩散，从而实现对自旋波输运的主动调控，为自旋电子学应用提供可能。

ABSTRACT

Deliberate control of magnon transportation will lead to an energy-efficient technology for information transmission and processing. Y3Fe5O12(YIG), exhibiting extremely large magnon diffusion length due to the low magnetic damping constant, has been intensively investigated for decades. While most of the previous works focused on the determination of magnon diffusion length by various techniques, herein we demonstrated how to tune magnon diffusion by light excitation. We found that the diffusion length of thermal magnons is strongly dependent on light wavelength when the magnon is generated by exposing YIG directly to laser beam. The diffusion length, determined by a nonlocal geometry at room temperature, is ~30 um for the magnons produced by visible light (400-650 nm), and ~136-156 um for the laser between 808 nm and 980 nm. The diffusion distance is much longer than the reported value. In addition to thermal gradient, we found that light illumination affected the electron configuration of the Fe3+ ion in YIG. Long wavelength laser triggers a high spin to low spin state transition of the Fe3+ ions in FeO6 octahedron. This in turn causes a substantial softening of the magnon thus a dramatic increase in diffusion distance. The present work paves the way towards an efficient tuning of magnon transport behavior which is crucially important for magnon spintronics.

研究动机与目标

• 探索在自旋波扩散长度极长（因磁阻尼低）的YIG中，对自旋波输运实现动态外部调控。
• 解决尽管已有大量关于自旋波扩散长度的被动测量研究，但缺乏对自旋波扩散主动调控机制的现状。
• 研究光波长在通过诱导Fe³⁺离子的电子与磁性转变来调控自旋波输运中的作用。
• 建立一种主动、全光学调控自旋波扩散的路径，这对下一代自旋波自旋电子学器件至关重要。

提出的方法

• 采用非局域几何结构，在室温下通过激光激发的YIG样品测量自旋波扩散长度。
• 在不同波长（400–650 nm 和 808–980 nm）的激光激发下，产生热梯度并探测自旋波输运动力学。
• 通过非局域热电测量装置中随温度变化的电压信号提取扩散长度。
• 利用X射线吸收谱和电子结构分析，将光诱导的Fe³⁺自旋态变化与自旋波软化相关联。
• 理论建模将观测到的扩散增强与FeO6八面体中高自旋到低自旋转变导致的自旋波能隙减小联系起来。
• 不同激光波长下扩散长度的比较揭示了与电子跃迁相关的强烈波长依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 入射光的波长如何影响Y3Fe5O12中的自旋波扩散长度？
• RQ2 在YIG中，长波长激光激发在Fe³⁺离子中触发了何种电子或磁性转变？
• RQ3 Fe³⁺自旋态的光诱导变化是否可导致自旋波模式显著软化并增强扩散？
• RQ4 与被动测量相比，能否通过光学激发实现对自旋波输运的主动调控？
• RQ5 Fe³⁺电子构型的变化在改变YIG中自旋波动力学方面起何种作用？

主要发现

• 在YIG中，自旋波扩散长度在可见光（400–650 nm）下约为30 µm，而在红外光（808–980 nm）下增至136–156 µm。
• 增强的扩散归因于FeO6八面体中Fe³⁺离子发生的光诱导高自旋到低自旋转变，导致自旋波能隙减小。
• 该转变引起自旋波模式显著软化，直接导致自旋波扩散长度增加。
• 该效应具有波长依赖性，较长波长（808–980 nm）诱导更强的电子跃迁并带来更大的扩散增强。
• 观测到的扩散长度超过以往报道的数值，表明存在一种新的自旋波输运调控机制。
• 研究结果证明了一种可行的全光学方法，可动态调节YIG中的自旋波输运，实现对自旋电子学应用中自旋波输运的主动控制。