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SOT로 힘차게 THz spin wave를 만들어봅시다!

본 논문의 내용을 세 줄로 요약하면 다음과 같다.

spin orbit torgue (SOT)를 이용하기 위해서 thin film을 공정하여 THz light와 matter interaction을 향상 시켰다.
0.6THz의 spin wave resonance (SWR)를 excite시켰으며, nanometer-wavelength 스케일의 spin wave mode였다.
simulation을 통해서 현재 발생하는 SWR이 SOT기반 메커니즘으로 설명이 됨을 확인하였다.

THz의 영역에서 물리는 현재 굉장히 매력적인 연구주제임에 틀림없다. optical한 영역과 electrical한 영역의 미묘한 중간에 위치한 전자기파 영역으로, 두가지 특성을 모두 지니고 있다. 보안 검사, 통신시스템 분야뿐만 아니라 물질의 역학 분석, 생체 이미징, 생체 분자 검출 등 다양한 분야에서 각광받고 있다. spintronics 분야에서도 THz 관련 활발한 연구가 진행되고 있는데, 이론적 계산을 통해 밝혀진 THz resonance frequency를 가지고 있는 antiferromagnetic magnon이 THz 스핀 펌핑을 통해 magnon excitation이 일어날 수 있다는 등의 연구들이 계속해서 나오고 있다. 이 논문은 antiferromagnetic magnon excitation을 본 것은 아니지만, 직접적인 coupling 방식 (Zeeman interaction)으로는 momentum 값의 차이때문에 coupling에 한계가 있다고 판단하여 SOT 기반 메커니즘으로써 coupling을 해야한다는 것을 시사한다.

그림.1

그림.1의 a처럼 THz 투과실험을 진행하였고, 크게 4가지의 실험을 통해서 SWR mode가 신호에 묻어나오며 SOT 메커니즘으로 설명할 수 있다는 것을 확인하였다. 먼저 첫번째는 symmetric 구조 (Ta/Py/Ta)과 asymmetic 구조 (Ta/Py/Pt)를 비교함으로써, spin hall angle의 부호가 반대인 asymmetric 구조를 통해 같은 방향의 spin이 Py의 계면에 쌓일때 SWR이 발생한다는 것을 확인하였다. (그림.1의 b) 가장 크게 나오는 신호는 Zeeman torgue signal (ZTS)로 Py에 직접적으로 가해지기에 두 구조에서 동일하게 나오지만, 뒤 쪽에 찌글찌글 묻어나오는 신호는 SWR 신호로 asymmetic 구조에서만 나오게 된다. 두번째는 외부 field 방향을 바꿈으로 Py의 자화방향을 THz light으로 생기는 field 방향과 수직, 평행하게 두어 magnetic 신호임을 확인하였다. (그림.1의 c) Py의 자화방향이 THz field에 평행할 경우, Zeeman torque는 당연히 발생하지 않고, SWR 또한 inplane 방향으로 electric field와 수직한 경우 SOT가 발생하지 않기 때문에 신호가 나오지 않는다. 마지막으로 SOT의 field like torque와 damping like torque의 영향을 확인하기 위해 외부 field 방향을 통해 Py 자화방향을 x축에 대해서 inversion을 가지게 해주었고, 신호의 위상변화를 통해 SOT의 field like torque가 주요 torque임을 확인하였다.(그림.1의 d) (LLG equation의 각 term을 확인해보면 쉽게 확인 가능하다.) 추가적으로 열적인 효과로 발생하지는 않는지 확인하기 위해 편광자를 사용하여 THz field 크기에 대한 경향성을 확인하였고, linear한 감소를 보임에 따라 열적인 효과가 아닌 것또한 확인을 하였다. (그림.2)

그림.2

본 논문에서 제시된 model은 다음과 같다.

그림.3

a번 그림을 보면, 부호가 다른 spin hall angle을 가진 Pt와 Ta층에 의해서 Py 계면에는 동일한 방향을 가진 spin이 쌓이는 것을 확인할 수 있다. 만약 asymmetric 구조의 sample을 뒤집어서 찍으면 어떻게 될까? (투과 실험이니 기판의 유무는 크게 고려하지 않아도 된다.) 그림.3의 b를 보면 그 결과를 확인할 수 있는데, SWR의 위상이 180도 밀려서 나오게 된다. 이 것이 의미하는 바는 무엇일까? SWR이 현재 제시된 모델로써 잘 설명이 된다는 것이다. Py 계면에 쌓이는 스핀 방향이 달라지면, field like torque의 방향또한 바뀔 것이고, Py 자화가 떨리는 방향도 바뀌게 될 것이다. 반대 방향이니 자연스에 180도 위상차이를 가지면서 내부 자화가 떨게 될 것이고, 이것이 실험적인 결과로써 나타나게 된다.

그림.4

Py 두께에 따라서 time delay signal이 달라지게 되는데, 각 두께에 따라서 magnon dispersion 식으로 계산을 하면, n=2 mode의 정상파가 생기는 것을 확인할 수 있다. d=12nm의 경우, 다른 두께에 비해 찌글거림이 있는 것을 확인할 수 있는데, cos 함수 decaying으로 분석을 하면 총 3가지 모드가 묻어나오는 것으로 확인된다. (n=2, 3, 4) 최종적으로 magnon dispesion 식을 사용해서 fitting을 하면, 원하는 형태 (그림.4의 b)로 잘 fitting되며, Py 물질 값도 잘 유도 된다. (자세한 과정은 연락드립니다.) 12nm의 경우와 나머지 경우에서 묻어나오는 mode의 수가 다른 이유는 빛의 penentration depth가 약 10~15nm로 나머지는 penentration depth보다 작다보니 낮은 mode가 보이지 않게 되는 것이다.

그림.5

시뮬레이션으로 SOT 기반 모델 (그림.3의 a)이 정당한지 확인을 해보면, 그림.5와 같다. asymmetric한 구조의 경우, SOT로 생기는 field 방향이 동일하기 때문에 짝수 mode의 정상파만 형성이 되고, symmetric한 구조의 경우, field 방향이 반대 방향이어서 홀수 mode의 정상파만 형성이 된다. (그림.5의 b참조) 그러면 왜 symmetric한 구조에서 아무것도 나타나지 않았는가? 에 대한 답은 2ps내에서 counter-propagating coherent spin wave로 인해서 cancel out되기 때문이다. 실제 실험에서 12nm의 경우는 n=2, 3, 4가 묻어나왔는데, 이는 SOT로 형성되는 자기장의 크기가 서로 다르기 때문에 발생하는 것이다. (그림.5의 b에서 검은색 점선 참조)

정리하자면, 본 논문에서는 SOT 기반 모델로써 설명이 가능한 샘플을 통해서 THz영역에 있는 SWR을 관측하였고, simulation을 통해서 이론적인 modeling까지 구현하였다. 사실 THz 영역에 photon-magnon coupling을 위해서 Zeeman이 아닌 SOT등 다른 메커니즘으로 strong coupling을 유도하려는 움직임은 계속되고 있었는데, 이 논문은 그걸 실험적으로 보여주었다는 점에서 high IF 저널에 기재될 수 있었다고 생각한다. 다만, coupling 보다는 유도에 가까운 mechanism이다 보니, 제목만 보고 coupling이라 생각하여 (가령 Rabi-like-oscillation) 신나는 마음에 읽었다가 조금은 아쉬움이 있었다.

작성 백건우
E-mail : geonwoobaek@kaist.ac.kr

참석자: 김갑진 교수님, 박민규, 김현규, 이근희, 유무진, 송무준, 지유빈, 고산, 김현진

DOI:
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01908-1