The spin-transfer inverse Faraday effect in Au/YIG thin film bilayers

Licht draagt meer dan alleen energie; het draagt een draai met zich mee. Wanneer lichtgolven draaien terwijl ze reizen, een eigenschap bekend als circulaire polarisatie, bezitten ze impulsmoment, net als een tollende tol. Decennialang wisten wetenschappers al dat wanneer je dit draaiende licht op bepaalde materialen schijnt, het de kleine magnetische spins binnenin kan een duwtje geven, waardoor een magnetisch veld ontstaat zonder de noodzaak van elektrische stromen. Dit fenomeen, de inverse Faraday-effect genoemd, biedt een manier om magnetisme te controleren met licht, wat potentieel kan leiden tot computers die sneller en koeler zijn dan de machines van vandaag. Deze controle is echter moeilijk te bereiken in magnetische isolatoren, materialen die geen elektriciteit geleiden maar uitstekend zijn in het dragen van magnetische informatie. Deze materialen zijn cruciaal voor toekomstige technologie omdat ze zeer weinig energie verspillen, maar ze zijn ook koppig; ze absorberen licht niet gemakkelijk, wat het moeilijk maakt om licht direct te gebruiken om hun magnetische staat te veranderen.

Onderzoekers aan The Ohio State University en Florida International University hebben een slimme workaround gevonden voor dit probleem door een sandwich te bouwen van twee verschillende materialen. Ze plaatsten een dunne laag goud, een metaal dat sterk met licht interageert, direct bovenop een dunne laag yttrium-ijzer-granaat, een magnetische isolator. Door een puls van infrarood licht op het goud te schijnen, waren ze in staat de draaiende energie van het licht over te dragen naar het goud, dat die energie vervolgens over de grens naar de magnetische isolator doorgaf. Dit proces, dat zij de spin-transfer inverse Faraday-effect noemen, stelde hen in staat om het magnetisme van de isolator te manipuleren met behulp van licht, zelfs toen de energie van het licht te laag was om door de isolator zelf te worden geabsorbeerd. Het team demonstreerde dat deze methode werkt op een nanometerschaal, waarbij de magnetische staat van de isolator in slechts een paar biljoentjes van een seconde verandert, en deed dit zonder het materiaal aanzienlijk te verhitten, wat een veelvoorkomend probleem is bij andere methoden.

Om te begrijen hoe dit werkt, moet men eerst kijken naar de materialen zelf. De onderzoekers kweekten extreem dunne films van yttrium-ijzer-granaat, slechts tien en vijftien nanometer dik, op een kristalbasis. Vervolgens brachten ze een vijf-nanometer dikke laag goud aan bovenop. Om hun opstelling te testen, gebruikten ze een gespecialiseerd lasersysteem dat twee lichtbundels afvuurt: een sterke "pump"-bundel om het materiaal te exciteren en een zwakkere "probe"-bundel om te meten wat er gebeurde. Ze konden de polarisatie van de pump-bundel veranderen, waardoor deze ofwel naar links of naar rechts draaide, of recht bleef. Wanneer ze een rechte, niet-draaiende lichtbundel op de goudlaag schoten, werd het materiaal licht verwarmd. Deze warmte veroorzaakte een stroom van magnetische informatie van de isolator naar het metaal, een bekend effect genaamd het longitudinale spin-Seebeck-effect. Dit diende als een baseline, die liet zien hoe de twee materialen met elkaar communiceren wanneer er alleen warmte betrokken is.

De echte ontdekking kwam toen ze overgingen op draaiend licht. Wanneer ze licht schen dat naar rechts draaide, genereerde de goudlaag een specifiek type magnetische duw. Wanneer ze de richting van het licht veranderden naar een draai naar links, ging de duw in de tegenovergestelde richting. Door de resultaten van deze twee tegenovergestelde spins te vergelijken, kon het team het effect dat puur door de draai van het licht werd veroorzaakt isoleren, waardoor de achtergrondruis veroorzaakt door eenvoudige verhitting werd verwijderd. Ze ontdekten dat dit draaiende licht een magnetisch signaal in het goud creëerde dat aanzienlijk sterker was dan wat ze in goud alleen hadden gezien. Belangrijker nog, dit signaal bleef niet alleen in het goud; het kruiste de grens en veranderde het magnetisme van het onderliggende yttrium-ijzer-granaat.

De onderzoekers waren zorgvuldig om te bewijzen dat deze verandering niet slechts een bijwerking was van het verhitten van het monster door het licht. Ze maten hoe het signaal veranderde naarmate ze het vermogen van de laser verhoogden. Als het effect puur thermisch zou zijn, zou het signaal op een specifieke, voorspelbare manier groeien die gerelateerd is aan hoe warmte zich verspreidt. In plaats daarvan vonden ze dat het signaal groeide in een patroon dat overeenkwam met het gedrag van magnetische golven, bekend als magnonen, binnen de isolator. Dit bevestigde dat het licht de magnetische orde van de isolator direct exciteerde via het goud, in plaats van de isolator simpelweg op te warmen. Ze observeerden ook dat de magnetische staat van de isolator omklapte of verschoof afhankelijk van de richting van de spin van het licht, een duidelijk teken dat het impulsmoment van de fotonen werd overgedragen aan de magnetische spins van het materiaal.

Dit experiment is significant omdat het een nieuwe manier laat zien om magnetische isolatoren te controleren, die de bouwstenen zijn voor toekomstige energiezuinige geheugen- en logische apparaten. Voorheen vereiste het controleren van deze materialen krachtige lasers of dikke lagen materiaal, wat ze onpraktisch maakte voor kleine, snelle elektronische componenten. Het team toonde aan dat ze deze controle konden bereiken met een veel lager vermogensniveau, door gebruik te maken van een lichtpuls met een energiedichtheid van slechts 6,8 joule per vierkante meter, wat veel minder is dan wat in eerdere studies nodig was. Ze bereikten dit door de goudlaag te gebruiken als een bemiddelaar, een transducer die de energie van het licht opvangt en deze doorgeeft aan de isolator. Het hele proces vindt ongelooflijk snel plaats, waarbij de magnetische veranderingen binnen enkele picoseconden, of biljoentjes van een seconde, optreden, waarna het systeem kort daarna naar zijn oorspronkelijke staat terugkeert.

De studie onthulde ook details over hoe de twee materialen op atomair niveau met elkaar interageren. Door het magnetische antwoord op verschillende momenten in de tijd te meten, kon het team de volgorde van gebeurtenissen waarnemen: het licht raakt het goud, de elektronen van het goud reageren bijna onmiddellijk, en vervolgens reist de magnetische invloed naar de isolator. Ze vonden dat de sterkte van deze interactie afhangt van de kwaliteit van de grens tussen het goud en de isolator. Als de interface schoon en goed geordend is, is de overdracht van spin efficiënt. Dit suggereert dat wetenschappers, door deze lagen zorgvuldig te ontwerpen, apparaten kunnen creëren die licht gebruiken om magnetische informatie te schrijven en te wissen met hoge snelheid en minimaal energieverbruik.

Hoewel de onderzoekers niet zagen dat de magnetische golven heen en weer oscilleerden in een ritmisch patroon, zoals in sommige andere experimenten met dikkere materialen, observeerden ze wel een duidelijke en blijvende verandering in de magnetische staat. Dit geeft aan dat de spin-transfer inverse Faraday-effect een robuust mechanisme is voor het manipuleren van magnetisme in dunne films. Het werk opent een pad naar het gebruik van infrarood licht om magnetische isolatoren te controleren, een capaciteit die essentieel kan zijn voor de volgende generatie spintronische apparaten. Deze apparaten zouden vertrouwen op de spin van elektronen in plaats van hun lading, wat potentieel kan leiden tot computers die sneller, efficiënter en in staat zijn om informatie te verwerken op manieren die de huidige technologie niet kan. De bevindingen suggereren dat de sleutel tot het ontsluiten van deze mogelijkheden ligt in het begrijpen en beheersen van de interface tussen metalen en magnetische isolatoren, waarbij een eenvoudige laag goud wordt getransformeerd tot een krachtig instrument voor het beheersen van de onzichtbare wereld van het magnetisme.