Effective rectification of terahertz electromagnetic fields in a ferrimagnetic iron garnet

太赫兹辐射 铁磁性 物理 光学整流 凝聚态物理 激发 磁场 电磁场 领域(数学) 电场 螺旋度 光学 激光器 非线性光学 量子力学 磁化 数学 纯数学
作者
T. G. H. Blank,E. A. Mashkovich,K. A. Grishunin,Casper F. Schippers,М. В. Логунов,B. Koopmans,A. K. Zvezdin,A. V. Kimel
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (9) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.094439
摘要

It is found that single-cycle THz electromagnetic fields efficiently excite a GHz spin resonance mode in ferrimagnetic ${\mathrm{Tm}}_{3}{\mathrm{Fe}}_{5}{\mathrm{O}}_{12}$, despite the near absence of GHz spectral components in the exciting THz pulse. By analyzing how the efficiency of excitation depends on the orientation and strength of the THz electric field, we show that it can be explained in terms of the nonlinear THz inverse Cotton-Mouton effect. Here, the THz electric field gets effectively rectified and acts on the ferrimagnetic spins as a unipolar effective magnetic field pulse. This interpretation is confirmed by a theoretical model based on the phenomenological analysis of the effective magnetic field, combined with the equations of motion derived from the effective Lagrangian for a ferrimagnet. Moreover, by using the outcome of two-dimensional THz spectroscopy, we conjecture a quantum-mechanical interpretation of the observed effect in terms of impulsive stimulated Raman scattering of THz photons by the crystal-field split $f\text{\ensuremath{-}}f$ electronic transitions of ${\mathrm{Tm}}^{3+}$.

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