Magnons, phonons and their interactions in the magnetic materials are attracting an interest of spintronic researchers not only for the related physical phenomena but also for the technical applications. In this dissertation, we study about the thermal excitation of magnons and phonons in the thulium iron garnet (TmIG) thin films.
Firstly, we introduce a method for simultaneously but independently observing a thermal excitation of magnons and phonons by optical reflectometry. The change of reflectance and Kerr rotation are related to the excitation of phonons and magnons, respectively.
Secondly, we study the non-equilibrium between magnons and phonons in thulium iron garnets. By showing that the thermal excitation of magnons and that of phonons have different spatial profiles, we prove that there is a non-equilibrium between magnons and phonons, experimentally. We also show that the degree of non-equilibrium increases at the low external magnetic field and large electric current injection.
Finally, we provide a control of thermal conductivity of phonons in TmIG by magnons. It is possible to tune the thermal excitation of magnons by the external magnetic field, and the amount of thermal excitation of phonons is followed. Including the micro-second scale time-resolved measurement with numerical solutions of system of heat equations, we show that the external magnetic field dependent thermal excitation of phonons are related to the change of thermal conductivity of phonons in TmIG film.
All these results are understood by introducing the nonlinear interactions among magnons or between magnons and phonons. We believe that our study not only extends our fundamental understanding about magnons, phonons and their interactions, but also can be applied to brand-new spintronic devices with new functionalities.
자성 물질에서의 자기 양자와 음향 양자 및 그들의 상호 작용은 여러가지 물리적인 현상과 연관이 있을 뿐만 아니라 기술적으로 응용 가능성이 있어 최근 많은 연구자들의 관심을 받고 있다. 본 학위 논문에서는 자성 절연체 Thulium Iron Garnet (TmIG) 에서의 자기 양자와 음향 양자의 열적 여기에 대해 연구하였다.
먼저 반사광 분석을 통해 자성 시료에 자성 양자와 음향 양자의 열적 여기를 분리하여 동시에, 그러나 독립적으로 측정하는 방법에 대해 소개한다. 열 반사율 (Thermo-reflectance)과 자기 광 커 효과 (Magneto-Optic Kerr Effect)의 온도에 따른 변화는 각각 음향 양자 및 자기 양자의 열적 여기 정도를 나타낸다.
이를 이용해 우리는 자성 절연체 TmIG 에서의 자성 양자와 음향 양자 간의 열적 비평형 (non-equilibrium)에 대한 연구하였다. 열 반사율과 자기 광 커 효과로 측정한 음향 양자와 자기 양자의 열적 여기 정도가 다른 것을 통해, 우리는 TmIG에서 자성 양자와 음향 양자 간의 열적 비평형이 있음을 실험적으로 증명하였고, 이 정도가 외부 자기장, 전류 등에 의해 조절이 가능함을 보였다.
마지막으로, 우리는 TmIG의 자성 양자를 통해 음향 양자의 열전도율을 제어할 수 있음을 보였다. 외부 자기장을 이용하면 자성 양자의 열적 여기 정도를 제어할 수 있으며, 이와 동시에 음향 양자의 열적 여기가 바뀌는 것을 관측하였다. 시간 분해 측정 (Time-resolved measurement)과 열 방정식을 이용한 전산 모사 (simulation)를 통해 외부 자기장에 의존하는 음향 양자의 열적 여기가 TmIG 내의 음향 양자의 열전도율 변화와 관련이 있음을 보였다.
위 연구들의 결과는 자성 양자 간, 혹은 자성 양자와 음향 양자 간의 비선형적 (non-linear) 상호 작용을 통하여 이해할 수 있었다. 우리는 위 연구를 통해 자성 양자, 음향 양자 및 그 상호작용에 대해 더욱 근원적으로 이해할 수 있었으며, 비선형 상호작용을 이용한 자성 소자를 제작할 수 있을 것이라 기대한다.
