Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Tunable quasi-discrete spectrum of spin waves excited by periodic laser patterns

Published 27 Apr 2024 in physics.optics, cond-mat.str-el, and physics.app-ph | (2404.17889v2)

Abstract: We present a concept for selective excitation of magnetostatic surface waves with quasi-discrete spectrum using spatially patterned femtosecond laser pulses inducing either ultrafast change of magnetic anisotropy or inverse Faraday effect. We micromagnetically simulate excitation of the waves with periodically patterned uni- or bipolar laser impact. Such excitation yields multiple wavepackets propagating with different group velocities, whose dispersion corresponds to the set of quasi-discrete points. In addition, we show that the frequency of the spectral peaks can be controlled by the polarity of the periodic impact and its spatial period. Presented consideration of multiple spatially periodic magnetostatic surface wave sources as a whole enables implementation of a comprehensive toolkit of spatio-temporal optical methods for tunable excitation and control of spin wave parameters

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (61)
  1. B. Flebus, D. Grundler, B. Rana, Y. Otani, I. Barsukov, A. Barman, G. Gubbiotti, P. Landeros, J. Akerman, U. S. Ebels, P. Pirro, V. E. Demidov, K. Schultheiss, G. Csaba, Q. Wang, D. E. Nikonov, F. Ciubotaru, P. Che, R. hertel, T. Ono, D. Afanasiev, J. H. Mentink, T. Rasing, B. Hillebrands, S. Viola Kusminskiy, W. Zhang, C. R. Du, A. Finco, T. van der Sar, Y. K. Luo, Y. Shiota, J. Sklenar, T. Yu,  and J. Rao, “The 2024 magnonics roadmap,” Journal of Physics: Condensed Matter  (2024), 10.1088/1361-648X/ad399c.
  2. A. Mahmoud, N. Cucu-Laurenciu, F. Vanderveken, F. Ciubotaru, C. Adelmann, S. Cotofana,  and S. Hamdioui, “Would magnonic circuits outperform cmos counterparts?” in Proceedings of the Great Lakes Symposium on VLSI 2022 (2022) pp. 309–313.
  3. Q. Wang, M. Kewenig, M. Schneider, R. Verba, F. Kohl, B. Heinz, M. Geilen, M. Mohseni, B. Lägel, F. Ciubotaru, et al., “A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders,” Nature Electronics 3, 765–774 (2020).
  4. U. Garlando, Q. Wang, O. V. Dobrovolskiy, A. V. Chumak,  and F. Riente, “Numerical model for 32-bit magnonic ripple carry adder,” IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing  (2023).
  5. Q. Wang, R. Verba, B. Heinz, M. Schneider, O. Wojewoda, K. Davídková, K. Levchenko, C. Dubs, N. J. Mauser, M. Urbánek, et al., “Deeply nonlinear excitation of self-normalized short spin waves,” Science Advances 9, eadg4609 (2023).
  6. J. R. Hortensius, D. Afanasiev, M. Matthiesen, R. Leenders, R. Citro, A. V. Kimel, R. V. Mikhaylovskiy, B. A. Ivanov,  and A. D. Caviglia, “Coherent spin-wave transport in an antiferromagnet,” Nature Physics 17, 1001–1006 (2021).
  7. A. Mahmoud, F. Ciubotaru, F. Vanderveken, A. V. Chumak, S. Hamdioui, C. Adelmann,  and S. Cotofana, “Introduction to spin wave computing,” Journal of Applied Physics 128 (2020).
  8. Á. Papp, W. Porod,  and G. Csaba, “Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference,” Nature communications 12, 6422 (2021).
  9. D. D. Yaremkevich, A. V. Scherbakov, L. De Clerk, S. M. Kukhtaruk, A. Nadzeyka, R. Campion, A. W. Rushforth, S. Savel’ev, A. G. Balanov,  and M. Bayer, “On-chip phonon-magnon reservoir for neuromorphic computing,” Nature Communications 14, 8296 (2023).
  10. G. Talmelli, T. Devolder, N. Träger, J. Förster, S. Wintz, M. Weigand, H. Stoll, M. Heyns, G. Schütz, I. P. Radu, et al., “Reconfigurable submicrometer spin-wave majority gate with electrical transducers,” Science Advances 6, eabb4042 (2020).
  11. A. V. Sadovnikov, C. S. Davies, S. V. Grishin, V. Kruglyak, D. Romanenko, Y. P. Sharaevskii,  and S. Nikitov, “Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry,” Applied Physics Letters 106 (2015).
  12. A. V. Sadovnikov, A. A. Zyablovsky, A. V. Dorofeenko,  and S. A. Nikitov, “Exceptional-point phase transition in coupled magnonic waveguides,” Physical Review Applied 18, 024073 (2022).
  13. D. Breitbach, M. Bechberger, B. Heinz, A. Hamadeh, J. Maskill, K. Levchenko, B. Lägel, C. Dubs, Q. Wang, R. Verba, et al., “Nonlinear erasing of propagating spin-wave pulses in thin-film ga: Yig,” Applied Physics Letters 124 (2024).
  14. T. Satoh, Y. Terui, R. Moriya, B. A. Ivanov, K. Ando, E. Saitoh, T. Shimura,  and K. Kuroda, “Directional control of spin-wave emission by spatially shaped light,” Nature Photonics 6, 662–666 (2012).
  15. M. Van Kampen, C. Jozsa, J. Kohlhepp, P. LeClair, L. Lagae, W. De Jonge,  and B. Koopmans, “All-optical probe of coherent spin waves,” Physical review letters 88, 227201 (2002).
  16. Y. Au, M. Dvornik, T. Davison, E. Ahmad, P. S. Keatley, A. Vansteenkiste, B. Van Waeyenberge,  and V. Kruglyak, “Direct excitation of propagating spin waves by focused ultrashort optical pulses,” Physical review letters 110, 097201 (2013a).
  17. I. Yoshimine, T. Satoh, R. Iida, A. Stupakiewicz, A. Maziewski,  and T. Shimura, “Phase-controllable spin wave generation in iron garnet by linearly polarized light pulses,” Journal of applied physics 116 (2014).
  18. K. Bublikov, M. Mruczkiewicz, E. Beginin, M. Tapajna, D. Gregušová, M. Kučera, F. Gucmann, S. Krylov, A. Stognij, S. Korchagin, et al., “Laser-induced magnonic band gap formation and control in yig/gaas heterostructure,” arXiv preprint arXiv:2302.05310  (2023).
  19. A. Kolosvetov, M. Kozhaev, I. Savochkin, V. Belotelov,  and A. Chernov, “Concept of the optomagnonic logic operation,” Physical Review Applied 18, 054038 (2022).
  20. M. Vogel, A. V. Chumak, E. H. Waller, T. Langner, V. I. Vasyuchka, B. Hillebrands,  and G. Von Freymann, “Optically reconfigurable magnetic materials,” Nature Physics 11, 487–491 (2015).
  21. A. I. Chernov, M. A. Kozhaev, D. O. Ignatyeva, E. N. Beginin, A. V. Sadovnikov, A. A. Voronov, D. Karki, M. Levy,  and V. I. Belotelov, “All-dielectric nanophotonics enables tunable excitation of the exchange spin waves,” Nano letters 20, 5259–5266 (2020).
  22. Y. Hashimoto, S. Daimon, R. Iguchi, Y. Oikawa, K. Shen, K. Sato, D. Bossini, Y. Tabuchi, T. Satoh, B. Hillebrands, et al., “All-optical observation and reconstruction of spin wave dispersion,” Nature communications 8, 15859 (2017).
  23. N. E. Khokhlov, P. I. Gerevenkov, L. A. Shelukhin, A. V. Azovtsev, N. A. Pertsev, M. Wang, A. W. Rushforth, A. V. Scherbakov,  and A. M. Kalashnikova, “Optical excitation of propagating magnetostatic waves in an epitaxial galfenol film by ultrafast magnetic anisotropy change,” Physical Review Applied 12, 044044 (2019).
  24. I. Yoshimine, Y. Y. Tanaka, T. Shimura,  and T. Satoh, “Unidirectional control of optically induced spin waves,” Europhysics Letters 117, 67001 (2017).
  25. A. Kolosvetov and A. Chernov, “Nor and majority optomagnonic logic gates,” IEEE Transactions on Magnetics 59, 1–5 (2023).
  26. L. A. Shelukhin, V. V. Pavlov, P. A. Usachev, P. Y. Shamray, R. V. Pisarev,  and A. M. Kalashnikova, “Ultrafast laser-induced changes of the magnetic anisotropy in a low-symmetry iron garnet film,” Physical Review B 97, 014422 (2018).
  27. R. Kainuma, K. Matsumoto,  and T. Satoh, “Fast acquisition of spin-wave dispersion by compressed sensing,” Applied Physics Express 14, 033004 (2021).
  28. K. Matsumoto, I. Yoshimine, K. Himeno, T. Shimura,  and T. Satoh, “Observation of evanescent spin waves in the magnetic dipole regime,” Physical Review B 101, 184407 (2020).
  29. T. Hioki, Y. Hashimoto,  and E. Saitoh, “Bi-reflection of spin waves,” Communications Physics 3, 188 (2020).
  30. T. Hioki, Y. Hashimoto,  and E. Saitoh, “Coherent oscillation between phonons and magnons,” Communications Physics 5, 115 (2022).
  31. I. A. Filatov, P. Gerevenkov, M. Wang, A. Rushforth, A. Kalashnikova,  and N. Khokhlov, “Spectrum evolution of magnetostatic waves excited through ultrafast laser-induced heating,” in Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1697 (IOP Publishing, 2020) p. 012193.
  32. I. A. Filatov, P. Gerevenkov, M. Wang, A. Rushforth, A. Kalashnikova,  and N. Khokhlov, “Spectrum evolution and chirping of laser-induced spin wave packets in thin iron films,” Applied Physics Letters 120 (2022).
  33. S. Iihama, Y. Sasaki, A. Sugihara, A. Kamimaki, Y. Ando,  and S. Mizukami, “Quantification of a propagating spin-wave packet created by an ultrashort laser pulse in a thin film of a magnetic metal,” Physical Review B 94, 020401 (2016).
  34. A. Kimel, A. Kirilyuk, P. Usachev, R. Pisarev, A. Balbashov,  and T. Rasing, “Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses,” Nature 435, 655–657 (2005).
  35. A. Chernov, M. Kozhaev, I. Savochkin, D. Dodonov, P. Vetoshko, A. Zvezdin,  and V. Belotelov, “Optical excitation of spin waves in epitaxial iron garnet films: Mssw vs bvmsw,” Optics letters 42, 279–282 (2017).
  36. A. Kirilyuk, A. V. Kimel,  and T. Rasing, “Ultrafast optical manipulation of magnetic order,” Reviews of Modern Physics 82, 2731 (2010).
  37. D. D. Yaremkevich, A. V. Scherbakov, S. M. Kukhtaruk, T. L. Linnik, N. E. Khokhlov, F. Godejohann, O. A. Dyatlova, A. Nadzeyka, D. P. Pattnaik, M. Wang, et al., “Protected long-distance guiding of hypersound underneath a nanocorrugated surface,” ACS nano 15, 4802–4810 (2021).
  38. D. M. Krichevsky, V. A. Ozerov, A. V. Bel’kova, D. A. Sylgacheva, A. N. Kalish, S. A. Evstigneeva, A. S. Pakhomov, T. V. Mikhailova, S. D. Lyashko, A. L. Kudryashov, et al., “Spatially inhomogeneous inverse faraday effect provides tunable nonthermal excitation of exchange dominated spin waves,” Nanophotonics 13, 299–306 (2024).
  39. A. Stupakiewicz, K. Szerenos, D. Afanasiev, A. Kirilyuk,  and A. Kimel, “Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium,” Nature 542, 71–74 (2017).
  40. P. I. Gerevenkov, D. V. Kuntu, I. A. Filatov, L. A. Shelukhin, M. Wang, D. P. Pattnaik, A. W. Rushforth, A. M. Kalashnikova,  and N. E. Khokhlov, “Effect of magnetic anisotropy relaxation on laser-induced magnetization precession in thin galfenol films,” Physical Review Materials 5, 094407 (2021).
  41. S. F. Maehrlein, I. Radu, P. Maldonado, A. Paarmann, M. Gensch, A. M. Kalashnikova, R. V. Pisarev, M. Wolf, P. M. Oppeneer, J. Barker,  and T. Kampfrath, “Dissecting spin-phonon equilibration in ferrimagnetic insulators by ultrafast lattice excitation,” Science Advances 4 (2018), 10.1126/sciadv.aar5164.
  42. C. S. Davies, K. H. Prabhakara, M. D. Davydova, K. A. Zvezdin, T. B. Shapaeva, S. Wang, A. K. Zvezdin, A. Kirilyuk, T. Rasing,  and A. V. Kimel, “Anomalously damped heat-assisted route for precessional magnetization reversal in an iron garnet,” Phys. Rev. Lett. 122, 027202 (2019).
  43. M. Deb, E. Popova, S. P. Zeuschner, M. Hehn, N. Keller, S. Mangin, G. Malinowski,  and M. Bargheer, “Generation of spin waves via spin-phonon interaction in a buried dielectric thin film,” Physical Review B 103, 024411 (2021).
  44. M. Levy, O. V. Borovkova, C. Sheidler, B. Blasiola, D. Karki, F. Jomard, M. A. Kozhaev, E. Popova, N. Keller,  and V. I. Belotelov, “Faraday rotation in iron garnet films beyond elemental substitutions,” Optica 6, 642–646 (2019).
  45. R. Hartmann, Seema, I. Soldatov, M. Lammel, D. Lignon, X. Y. Ai, G. Kiliani, R. Schäfer, A. Erb, R. Gross, J. Boneberg, M. Müller, S. T. B. Goennenwein, E. Scheer,  and A. D. Bernardo, “Single-crystalline yig flakes with uniaxial in-plane anisotropy and diverse crystallographic orientations,” APL Materials 12 (2024), 10.1063/5.0189993.
  46. M. Kindermann and E. Mele, “Landau quantization in twisted bilayer graphene: The dirac comb,” Physical Review B 84, 161406 (2011).
  47. N. Khokhlov, I. Filatov,  and A. Kalashnikova, “Spatial asymmetry of optically excited spin waves in anisotropic ferromagnetic film,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 589, 171514 (2024).
  48. M. Beg, M. Lang,  and H. Fangohr, “Ubermag: Toward more effective micromagnetic workflows,” IEEE Transactions on Magnetics 58, 1–5 (2022).
  49. M. Donahue and D. G. Porter, “OOMMF user’s guide, version 1.0,” NIST Interagency Report No. 6376, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD  (1999), http://math.nist.gov/oommf.
  50. S. P. Zeuschner, X.-G. Wang, M. Deb, E. Popova, G. Malinowski, M. Hehn, N. Keller, J. Berakdar,  and M. Bargheer, “Standing spin wave excitation in bi: Yig films via temperature-induced anisotropy changes and magneto-elastic coupling,” Physical Review B 106, 134401 (2022).
  51. G. S. Abo, Y.-K. Hong, J. Park, J. Lee, W. Lee,  and B.-C. Choi, “Definition of magnetic exchange length,” IEEE Trans. Magn. 49, 4937–4939 (2013).
  52. E. Carpene, E. Mancini, D. Dazzi, C. Dallera, E. Puppin,  and S. De Silvestri, “Ultrafast three-dimensional magnetization precession and magnetic anisotropy of a photoexcited thin film of iron,” Physical Review B 81, 060415 (2010).
  53. A. M. Kalashnikova, A. V. Kimel,  and R. V. Pisarev, “Ultrafast opto-magnetism,” Physics-Uspekhi 58, 969 (2015).
  54. M. A. Kozhaev, A. I. Chernov, D. A. Sylgacheva, A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, V. N. Berzhansky, A. K. Zvezdin,  and V. I. Belotelov, “Giant peak of the inverse faraday effect in the band gap of magnetophotonic microcavity,” Scientific reports 8, 11435 (2018).
  55. Y. Au, M. Dvornik, T. Davison, E. Ahmad, P. S. Keatley, A. Vansteenkiste, B. Van Waeyenberge,  and V. V. Kruglyak, “Direct excitation of propagating spin waves by focused ultrashort optical pulses,” Phys. Rev. Lett. 110, 097201 (2013b).
  56. H. Qin and S. van Dijken, “Nanometer-thick YIG-based magnonic crystals: Bandgap dependence on groove depth, lattice constant, and film thickness,” Applied Physics Letters 116, 202403 (2020), https://pubs.aip.org/aip/apl/article-pdf/doi/10.1063/5.0009807/13165375/202403_1_online.pdf .
  57. J. Janušonis, T. Jansma, C. Chang, Q. Liu, A. Gatilova, A. Lomonosov, V. Shalagatskyi, T. Pezeril, V. Temnov,  and R. Tobey, “Transient grating spectroscopy in magnetic thin films: simultaneous detection of elastic and magnetic dynamics,” Scientific reports 6, 29143 (2016).
  58. P. Carrara, M. Brioschi, E. Longo, D. Dagur, V. Polewczyk, G. Vinai, R. Mantovan, M. Fanciulli, G. Rossi, G. Panaccione, et al., “All-optical generation and time-resolved polarimetry of magnetoacoustic resonances via transient grating spectroscopy,” Physical Review Applied 18, 044009 (2022).
  59. M. Jäckl, V. Belotelov, I. Akimov, I. Savochkin, D. Yakovlev, A. Zvezdin,  and M. Bayer, “Magnon accumulation by clocked laser excitation as source of long-range spin waves in transparent magnetic films,” Physical Review X 7, 021009 (2017).
  60. S. Muralidhar, A. A. Awad, A. Alemán, R. Khymyn, M. Dvornik, D. Hanstorp,  and J. Åkerman, “Sustained coherent spin wave emission using frequency combs,” Physical Review B 101, 224423 (2020).
  61. T. Hula, K. Schultheiss, F. J. T. Goncalves, L. Körber, M. Bejarano, M. Copus, L. Flacke, L. Liensberger, A. Buzdakov, A. Kákay, et al., “Spin-wave frequency combs,” Applied Physics Letters 121 (2022).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 2 likes about this paper.

Sign Up for Free