Magnetic semiconductors are the materials which have properties of both of semiconductors and magnetic materials, and the magnetism can be controlled by the excitation of an electronic system. In these viewpoints, ferromagnetic semiconductor materials such as GaMnAs have attracted a great interest because of their potential for applications of spintronics devices based on the interaction between charge-carrier spins and localized magnetic moments.
The time-resolved measurements by using pump-probe spectroscopy is very effective in order to understand the photo-induced magnetization dynamics.
In this study, the authors reported magnetization dynamics in GaMnAs films, the thickness of which are 98nm(annealed sample) and 300nm(as-grown sample), by measuring time-resolved magneto-optical Kerr effect. In the case that the pump photon energy is larger than the GaAs bandgap, they obtained the oscillatory component of Kerr rotation signal when the pump light is linearly polarized. On the other hand, the fast decay background with decay time of ～100ps was also observed when the pump light is circularly polarized, in addition to the oscillatory component. In the case that the pump photon energy was below the GaAs, the fast decay background was not obtained. Consequently, the authors attributed the decay component to coherent spin dynamics of the excited electrons into conduction band, and the oscillatory behavior to the precession of Mn spins.
界磁性半導体とは半導体と磁性体の両方の性質を持った物質であり、電子系を光励起するによって磁性をコントロールすることが可能である。このような観点からGaMnAsのような強磁性半導体は、キャリアのスピンと局在した磁気モーメントの相互作用に基づくスピントロニクスデバイスの応用への期待により注目を集めている。
ポンプ・プローブ分光を用いた時間分解測定は光誘起磁化ダイナミクスを理解するために非常に有効な手段といえる。
この研究で著者らは時間分解磁気光学カー効果測定により、膜厚が98nmと300nmのGaMnAs薄膜における磁化ダイナミクスを報告した。ポンプ光のエネルギーがGaAsのバンドギャップより大きい時、直線偏光のポンプ光を当てた場合カー回転の振動が観測される。一方、円偏光のポンプ光を当てた場合これに加えてカー回転の～100psの速い減衰が観測される。ポンプ光のエネルギーがGaAsのバンドギャップより小さい場合は減衰成分は観測されなかった。その結果により、減衰成分は伝導帯へ励起された電子のコヘーレントスピンのダイナミクス、振動成分はMnスピンの歳差運動によるものであると考えられる。