用于设备应用上重要的垂直磁性材料，在应变自旋耦合的辅助下具有极高的谐振频率。这最新的一项研究中，研究人员直接观察到飞秒激光激发时时域和频域中的磁振子和声子的耦合。 这种应变自旋耦合导致垂直磁[Co / Pd] n中的磁声共振多层，达到极高频率（EHF）频段，例如60 GHz。研究人员提出了一个理论模型来解释应变-自旋相互作用的物理机制。该模型解释了磁声共振状态随时间的振幅增加，并定量预测了共振附近组合的应变自旋状态的组成。  该研究还详细介绍了其对磁致伸缩的精确依赖性。这项工作的结果为操纵EHF的幅度和时间以及强耦合的磁振子-声子激发提供了一条潜在的途径。

相关论文以题为     “High-frequency magnetoacoustic resonance through strain-spin coupling in perpendicular magnetic multilayers”   与北京时间2020年9月18号发表在     《Science Advances》   上。

 该研究报告了PMA [Co / Pd] n中高达60 GHz的极高频（EHF）磁声共振飞秒激光脉冲激发后产生的强磁振子-声子耦合产生了多层。 共振显示出时域中增强的波包络，频域中的反交叉以及耦合模型所预测的磁振子和声子的充分混合。超快测量信号和微磁仿真也证明了这些。这些观察结果都表明，在垂直磁性多层中存在由马农和声子组成的杂化准粒子，从而能量在马农和声子系统之间有效地转移。这允许声波以超快皮秒的比例显着影响磁化强度。

    样品特性和超快仪器  

图1A显示了时间分辨的磁光克尔效应（TR-MOKE）和时域热反射率（TDTR）超快测量配置，以及样品堆栈的示意图。在TDTR测量中收集的热反射信号是正比于探测光束的反射率的强度变化，其中包含温度和声学。因此，TDTR信号代表样品中的应变波。此处使用的TR-MOKE方法是一种泵浦探针技术，通过记录从FM薄膜反射的探测光束的偏振方向，可以记录磁化强度的时间演变。  通常，来自TR-MOKE测量的原始信号可能包含非MOKE分量，发现在确定自旋进动和声波的频率和弛豫时间时其贡献可忽略不计。

    图1 测量协议    （A）[Co / Pd] n多层膜上超快TR-MOKE测量结果的图示（左），括号中的数字表示纳米级的层厚度（右）。在TR-MOKE测量中，在没有外部磁场H ext的情况下，可以测量磁致伸缩效应，其中声应变波引起磁化振荡。的[CO /钯]的磁化Ñ多层倾斜到角度（θ）时ħ EXT > 0与角度施加（θ ħ= 80°）。TR-MOKE信号将包括来自自旋进动和声应变波的信号。通过拟合数据，研究人员可以将它们分开并识别它们的耦合。顶部右平面中的图显示了研究人员工作中使用的[Co / Pd] n多层结构。（乙）的磁滞（中号- ħ所述的）环路[CO（0.8纳米）/钯（1.5纳米）] 11多层具有各向异性磁场ħ K，EFF〜6.5千奥斯特。

    图2 超快速测量结果。    （A）实验和拟合的TR-MOKE信号，以及（B）实验TDTR信号作为H ext（10至29 kOe）的函数。可以清楚地看到，TDTR信号在H ext的整个区域中都没有变化，而TR-MOKE信号在外部磁场下表现出不同的振荡模式。对于H ext <18 kOe或H ext > 24 kOe，磁化进动表现为阻尼振荡，而对于18 kOe < H ext <24 kOe，则表现出共振现象。（C和D）H ext对TR-MOKE信号进行傅立叶变换= 14 kOe和21 kOe，从中可以找到两个峰（FMR和应变）。当H ext = 14 kOe时，两个峰是分开的。但是，当H ext = 21 kOe时，两个峰重叠。au，任意单位。

    极高频磁声共振  

图3（A和C）绘制了[Co（0.8 nm）/ Pd（1.5 nm）] 11多层膜的自旋进动频率，这些频率根据等式从TR-MOKE信号拟合为H ext的函数。1。有两种模式，低频模式标记为模式1（空心黑圈），高频模式标记为模式2（空心红色菱形）。  这两种模式是弱耦合的。也就是说，与共振频率相比，耦合较小，除了在共振附近具有耦合系数κ〜（16.5 GHz）2 = 272 GHz 2之外，耦合系数κ由磁致伸缩系数，磁特性和外部磁场角决定。 在低场，其中ω 1比ω小得多2，这些模式明显由驱动机构分离。  最大的TR-MOKE信号对应于低频模式，由快速退磁过程中的磁振子直接驱动。 模式1（ω的频率1）等于磁振子频率ω中号和线性依赖于ħ分机，用γ/2π其中γ是旋磁比的斜率。的ω的这种线性特性的位移1是由有效各向异性场引起的。振幅m 0取决于初始进动角（〜1°的最大值），该角基于从TR-MOKE电压到Kerr角的转换来估算。m 0 当增加外部磁场时，衰减迅速减小 1 /H2分机由于能量梯度根据“接近饱和定律”而变化（43）。由于高频模式2主要基于声子，因此很难检测到。其频率ω 2是场独立在低电场，其余以恒定的60千兆赫，与声子频率ω的pH从TDTR信号（蓝色星）拟合。其幅度κ η0/ （ω2酸碱度-ω2中号）正比于应变振幅η 0和耦合系数κ（注S3D）。  这表明，高频模式ω 2使得在低字段磁振子为主的动力学，通过出现在FFT谱中的轻微侧峰值验证的贡献可以忽略图2C。振幅增大磁场时，如ω之间的差逐渐增大中号和ω的pH收缩。

    图3 高频磁声共振。       （A）[Co（0.8 nm）/ Pd（1.5 nm）] 11多层膜的频率作为H ext的函数。通过拟合TR-MOKE的实验数据，得出了两个旋转自旋进动的频率（模式1，黑色圆圈；模式2，红色菱形）。该图还包括从TDTR（蓝星）测量的声波频率。模式1和模式2的反交叉点出现在共振场（H ext≈21 kOe），其中模式1和2的频率分开并打开一个间隙Δf。研究人员将应变模式指定为一种与场无关的频率，该频率与TDTR的声波频率几乎相同。FMR模式的频率随H线性增加分机。γ与g的关系由γ= g给出。γ ë /克ë其中GE和γ Ë是g因子和旋磁比为一个电子。（B）对于[Co（0.8 nm）/ Pd（1.5 nm）] 11多层膜，来自实验和理论的模式1和2的各个M z振幅均是H ext的函数。由于这两种模式之间在反交叉点附近的耦合，因此存在明显的放大。（C实验和理论得出的共振区域的放大频率图。实验误差线（〜3 GHz）基于FFT分辨率（〜3 GHz）。（D）根据实验和理论得出的共振区域的放大幅度图。实验误差条表示基于等式的测量数据的数学拟合得出的标准误差。  

    总结  

 研究人员在垂直磁性[Co / Pd] n中实验性地检测了响应时间低至10 ps量级的声波飞秒激光脉冲激发产生多层膜。 通过直接测量相干声子和磁化强度，当声波的频率和自旋进动的频率彼此接近时，研究人员观察到  60 GHz 的磁声共振。研究人员建立了一个理论模型，并从能量角度内的应变-自旋相互作用揭示了磁声共振的物理机理。该模型和实验在证实共振点附近的应变和自旋波之间杂化的过程中是一致的。  通过说明通过应变-自旋耦合切换高各向异性垂直材料的磁化强度的途径，结果提供了一种满足未来对高速和高度紧凑存储器的技术需求的方法 。