課題

複雑な酸化物ヘテロ構造などや、ファンデルワールス（vdW）結晶と呼ばれる高度な2D材料（2D材料の多層積層）は、磁気メモリー、太陽電池、その他のフォトニック応用の機能を向上させます。オランダのデルフト工科大学カブリナノサイエンス研究所のアンドレア・カヴィグリア教授のグループは、いくつかのクラスのこれらの材料の超高速ダイナミクスに関する重要な基礎研究を行っています。彼は、「私たちの目標の1つは、サブピコ秒の時間スケールで、過渡的な構造的摂動がどのように磁気特性に影響を与えるかを理解することです。そのためには、さまざまな層の原始的なサンプルを生成する方法と、低周波フォノンモードを励起して結果を観察する手段が必要です」と述べています。

ソリューション

複雑な材料の化学量論的な膜の形成を可能にする、パルスレーザ成膜(PLD)用のCoherent LPX Proエキシマレーザ（波長248 nm）により、サンプル膜の生産が可能になりました。

このポンププローブ法では、特定のフォノン振動を選択的に励起するためのポンプパルスとして、中赤外域に波長可変の光が必要となるため、超高速ダイナミクスを調べることは技術的に困難です。その後、光子エネルギー1.55 eV、すなわち800 nmの近赤外プローブパルスを時間差で共伝搬させ、その強度Iと偏光面の回転θを追跡することで、ポンプで誘起されたダイナミクスを測定します。カヴィグリア教授は次のように説明しています。「MV/cmの電界に対応する比較的高い強度のパルスを中赤外で発生させる必要があり、パルス間の高い安定性が必要です。このパルスは、Coherent Astrella増幅器を用いて、一対の可変光パラメトリック増幅器（OPA）を励起し、それらの出力を組み合わせて、GaSe結晶内で差周波発生（DFG）させることで得られます。全体として、多くの非線形の加工方法が行われているので、アンプの出力安定性は成功の大きな鍵となります」。

成果

カヴィグリアグループによる最近の発表は、彼らのポンププローブアプローチの成功を示しています。本研究では、マグノンモードを励起することで、2次元ファンデルワールス反強磁性体NiPS3の磁気異方性を制御することが示されました。ここで得られるデータは、Astrella増幅器とDFGの設定が長期的に安定しているために可能になりました。

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