DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07448-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811734
تاريخ النشر: 2024-05-29
المؤلف: R. Leenders وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، بحثنا في الإثارة غير الخطية للماغنون المتنقلة في HoFeO$_3$ من خلال طيفية الضخ المزدوجة السريعة. تشير نتائجنا إلى أن عدم الخطية تنشأ من عزم إضافي يتم توليده من تفاعل نبضة ضوئية مع دوران مضاد مغناطيسي موجود مسبقًا، والذي يتأثر بتفاعل دزيالوشينسكي-موريا. لقد نمذجة بنجاح تجربة تأثير كير المغناطيسي البصري ثنائي الأبعاد (MOKE)، محققين توافقًا نوعيًا مع النتائج التجريبية.
لقد مكنتنا طريقتنا المبتكرة، التي تستفيد من المواد التي تظهر انحراف الدوران والمغناطيسية البديلة، من ملاحظة التفاعلات والتحولات غير الخطية للماغنون عبر كل من الطاقة (التردد) والزخم (متجهات الموجة). تسلط هذه الأبحاث الضوء على إمكانيات ترتيب الدوران المنحرف في المغناطيسات البديلة لتطوير أجهزة منطقية ماغنونية تعمل بمعدلات ساعة تيراهيرتز، حيث يكون التحكم غير الخطي في موجات الدوران المتنقلة أمرًا حاسمًا. نقترح أيضًا أن آليات غير خطية مماثلة قد تكون موجودة في المغناطيسات البديلة التي تفتقر إلى اقتران الدوران القوي ولكنها تظهر انحرافًا ناتجًا عن مجالات مغناطيسية خارجية. بالإضافة إلى ذلك، نقترح أن تكوينات الدوران غير المتعامدة الأكثر تعقيدًا، مثل الترتيبات الحلزونية أو الدائرية، يمكن أن تسهل تفاعلات غير خطية أقوى بين الماغنون.
طرق
تشمل الإعدادات التجريبية الموصوفة استخدام عينة HoFeO$_3$ موضوعة في مبرد دورة مفتوحة، تم تبريدها إلى 5 كلفن باستخدام الهيليوم السائل. يتم تطبيق حقل مغناطيسي صغير قدره 25 مللي تسلا عبر مغناطيس كهربائي لتشبع المجالات المغناطيسية. يتم تحقيق إثارة ديناميات الدوران باستخدام نبضات ليزر تم إنشاؤها بواسطة مكبر ليزر Ti:sapphire من Spectra-Physics، والذي ينتج فوتونات بطول 800 نانومتر. ثم يتم تحويل هذه الفوتونات إلى أطوال موجية مختلفة باستخدام مكبر بصري برامترية، مما يسمح بالتعديل في نطاق UV-Vis-NIR. يتضمن التصميم التجريبي تكوين ضخ مزدوج يسهل بواسطة مقياس تداخل ميشيلسون، مما يمكّن من التحقيق في التفاعلات غير الخطية بين موجات الدوران الناتجة عن نبضات الضخ.
تشمل المنهجية قياس دوران الاستقطاب للضوء المستكشف المنعكس من العينة، مع التركيز على دوران كير الديناميكي الذي يتم تتبعه من خلال مكبر قفل. يسمح الإعداد بتفريق الإشارات الناتجة عن نبضات الضخ، مع تمكين تكوين واحد من ملاحظة التأثيرات غير الخطية بينما يعزل الآخر المساهمات من الضخ الفردي. تشير النتائج إلى أن وجود قمم غير قطرية في نطاق التردد يشير إلى اقتران غير خطي بين الفوتون والماغنون، مما يؤدي إلى تأثيرات تحويل تصاعدية لا يمكن ملاحظتها في تجارب الضخ الفردي. يبرز هذا أهمية نهج الضخ المزدوج في استكشاف ديناميات الدوران المعقدة والتفاعلات داخل المادة.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون آلية جديدة لتحويل الماغنون في الأورثوفيريتات، مع تسليط الضوء بشكل خاص على التفاعلات غير الخطية التي تسهلها الاقتران بين المغنطة (M) والزخم الزاوي (L). تكشف الدراسة أنه عندما تكون الدورانات خارج التوازن، يظهر عزم غير خطي إضافي، يتناسب مع الحقل المغناطيسي الفعال وتفاعل دزيالوشينسكي-موريا (D). يسمح هذا العزم بتحويل الماغنون إلى حالات مختلفة مع زخم وطاقة معدلة. يوضح المؤلفون هذه الآلية تجريبيًا في الأورثوفيريت هولميوم (HoFeO₃) باستخدام تقنية إثارة بصرية مزدوجة الضخ، محققين بنجاح تحويل ماغنون تم تحفيزه بصريًا إلى ماغنون متماسك متنقل.
تشير النتائج التجريبية إلى وجود وضعين متميزين من الماغنون، تم تحديدهما عند ترددات 190 غيغاهرتز و80 غيغاهرتز، مما يتوافق مع أوضاع k المنتهية وk=0، على التوالي. يستخدم المؤلفون قياسات تأثير كير المغناطيسي البصري (MOKE) ذات الزمن المحسوب لتحليل ديناميات هذه الماغنون، كاشفين عن عملية تحويل غير خطية تعزز من سعة موجة الدوران. تشير النتائج إلى أن العزم غير الخطي، المدفوع بنبضة الضخ الأولى، يؤثر بشكل كبير على الديناميات عند وصول النبضة الثانية، مما يؤدي إلى تعزيز انتشار الماغنون. تدعم النماذج النظرية المستندة إلى معادلة كلاين-غوردون الملاحظات التجريبية، مما يشير إلى أن تأثير التحويل التصاعدي يكون أكثر وضوحًا في المواد ذات زوايا الانحراف الكبيرة، مثل المغناطيسات البديلة، وبالتالي توفر رؤى حول التطبيقات المحتملة في الماغنونية والإلكترونيات الدورانية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07448-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811734
Publication Date: 2024-05-29
Author(s): R. Leenders et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
In this study, we investigated the nonlinear excitation of propagating magnons in HoFeO$_3$ through double-pump-probe ultrafast spectroscopy. Our findings indicate that the nonlinearity arises from an additional torque generated by the interaction of a light pulse with pre-existing antiferromagnetic precession, which is influenced by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. We successfully modeled the two-dimensional magneto-optical Kerr effect (MOKE) experiment, achieving qualitative agreement with the experimental results.
Our innovative approach, leveraging materials that exhibit spin canting and altermagnetism, enabled us to observe nonlinear interactions and transformations of magnons across both energy (frequency) and momentum (wave vectors). This research highlights the potential of canted spin ordering in altermagnets for developing magnonic logic devices that operate at terahertz clock rates, where nonlinear control of propagating spin waves is crucial. We also suggest that similar nonlinear mechanisms may be present in altermagnets lacking strong spin-orbit coupling but exhibiting canting induced by external magnetic fields. Additionally, we propose that more complex non-collinear spin configurations, such as helical or cycloidal orders, could facilitate even stronger nonlinear interactions among magnons.
Methods
The experimental setup described involves the use of a HoFeO$_3$ sample placed in an open-cycle cryostat, cooled to 5 K using liquid helium. A small magnetic field of 25 mT is applied via an electromagnet to saturate the magnetic domains. The excitation of spin dynamics is achieved using laser pulses generated by a Spectra-Physics Ti:sapphire laser amplifier, which produces 800 nm photons. These photons are then converted into various wavelengths using an optical parametric amplifier, allowing for tuning in the UV-Vis-NIR range. The experimental design includes a dual-pump configuration facilitated by a Michelson interferometer, enabling the investigation of nonlinear interactions between the spin waves induced by the two pump pulses.
The methodology includes measuring the polarization rotation of probe light reflected from the sample, with a focus on the dynamical Kerr rotation tracked through a lock-in amplifier. The setup allows for the differentiation of signals induced by the two pump pulses, with one configuration enabling the observation of nonlinear effects while the other isolates the contributions from individual pumps. The results indicate that the presence of off-diagonal peaks in the frequency domain suggests a nonlinear coupling between the photon and magnon, leading to up-conversion effects that are not observable in single-pump experiments. This highlights the significance of the dual-pump approach in exploring complex spin dynamics and interactions within the material.
Discussion
In this section, the authors discuss a novel mechanism for the up-conversion of magnons in orthoferrites, specifically highlighting the nonlinear interactions facilitated by the coupling between magnetization (M) and angular momentum (L). The study reveals that when spins are out of equilibrium, an additional nonlinear torque arises, proportional to the effective magnetic field and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (D). This torque allows for the conversion of magnons into different states with altered momentum and energy. The authors experimentally demonstrate this mechanism in holmium orthoferrite (HoFeO₃) using a double-pump optical excitation technique, successfully converting an optically triggered magnon into propagating coherent magnons.
The experimental results indicate the presence of two distinct magnon modes, identified at frequencies of 190 GHz and 80 GHz, corresponding to finite-k and k=0 modes, respectively. The authors employ time-resolved magneto-optical Kerr effect (MOKE) measurements to analyze the dynamics of these magnons, revealing a nonlinear conversion process that amplifies the spin wave amplitude. The findings suggest that the nonlinear torque, driven by the first pump pulse, significantly influences the dynamics upon the arrival of the second pulse, leading to enhanced magnon propagation. Theoretical models based on the Klein-Gordon equation support the experimental observations, indicating that the up-conversion effect is most pronounced in materials with large canting angles, such as altermagnets, thus providing insights into potential applications in magnonics and spintronics.