Ultrafast Dynamics of Magnon Propagation

Abstract

Spin waves, or magnons, are waves resulting from the disturbance of spin alignment in magnetic materials. When magnons propagate within a solid, the absence of moving parts is believed to lead to smaller heat dissipation. This review introduces experimental methods for generating and measuring propagating magnons in magnetic materials using ultrafast laser pulses. Modern ultrafast lasers typically feature short pulse widths of 100 femtoseconds, enabling a wide bandwidth ranging from gigahertz to terahertz frequencies. In this scenario, optically generated magnons exhibit much longer wavelengths than the lattice parameters of solids, underscoring the crucial role of long-range interactions among magnetic dipoles in the dispersion relation near the Brillouin zone center. Such interactions manifest not only in ferromagnets but also in antiferromagnets, providing a foundational framework for investigating magnon transport and advancing the development of future magnonic devices.

마그논 또는 스핀파는 자성 물질의 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생하는 파동이다. 마그논이 전파될 때 고체 내에 움직이는부분이 없어 열 손실이 적게 일어날 것으로 기대된다. 본 해설논문에서는 자성물질 내에서 전파되는 마그논을 초고속 레이저 펄스를 사용하여 생성하고 측정하는 방법들을 소개한다. 최신 초고속 레이저는 대략 100 펨토초의 짧은 펄스 폭을 가지고 있어 기가헤르츠에서 테라헤르츠에 이르는 넓은 주파수 대역을 측정할 수 있다. 이때 광학적으로 생성된 마그논은 고체의 격자 상수보다 훨씬 긴 파장을 가지며, 자기 쌍극자 간의 원거리 상호작용이 브릴루앙 영역 중심 부근에서 분산 관계에 중요한 영향을 끼친다. 이러한 상호작용은 강자성체뿐 아니라 반강자성체에서도 나타날 수 있으며, 마그논 수송 현상 연구와 미래 마그노닉스 소자개발에 중요한 기반을 제공할 것으로 기대한다.