Spin-polarized currents can transfer spin angular momentum to a ferromagnet, generating a torque that can efficiently reorient its magnetization. Achieving quantitative measurements of the spin-transfer-torque vector in magnetic tunnel junctions (MTJs) is important for understanding fundamental mechanisms affecting spin-dependent tunneling, and for developing magnetic memories and nanoscale microwave oscillators. Here we present direct measurements of both the magnitude and direction of the spin torque in Co60Fe20B20/MgO/Co60Fe20B20 MTJs. At low bias V, the differential torque vector d{tau}/dV lies in the plane defined by the electrode magnetizations, and its magnitude is in excellent agreement with a prediction for highly-spin-polarized tunneling. With increasing bias, the in-plane component d{tau}_{parallel}/dV remains large, in striking contrast to the decreasing magnetoresistance ratio. The differential torque vector also rotates out of the plane under bias; we measure a perpendicular component tau_{perp}(V) with bias dependence proportional to V^2 for low V, that becomes as large as 30% of the in-plane torque.

Transfer of angular momentum from a spin-polarized current to a ferromagnet provides an efficient means to control the dynamics of nanomagnets. A peculiar consequence of this spin-torque, the ability to induce persistent oscillations of a nanomagnet by applying a dc current, has previously been reported only for spatially uniform nanomagnets. Here we demonstrate that a quintessentially nonuniform magnetic structure, a magnetic vortex, isolated within a nanoscale spin valve structure, can be excited into persistent microwave-frequency oscillations by a spin-polarized dc current. Comparison to micromagnetic simulations leads to identification of the oscillations with a precession of the vortex core. The oscillations, which can be obtained in essentially zero magnetic field, exhibit linewidths that can be narrower than 300 kHz, making these highly compact spin-torque vortex oscillator devices potential candidates for microwave signal-processing applications, and a powerful new tool for fundamental studies of vortex dynamics in magnetic nanostructures.

We present time-resolved measurements of gigahertz-scale magnetic dynamics caused by torque from a spin-polarized current. By working in the time domain, we determined the motion of the magnetic moment throughout the process of spin-transfer–driven switching, and we measured turn-on times of steady-state precessional modes. Time-resolved studies of magnetic relaxation allow for the direct measurement of magnetic damping in a nanomagnet and prove that this damping can be controlled electrically using spin-polarized currents.

A major goal in optomechanics is to observe and control quantum behaviour in a system consisting of a mechanical resonator coupled to an optical cavity. Work towards this goal has focused on increasing the strength of the coupling between the mechanical and optical degrees of freedom. However, the form of this coupling is crucial in determining which phenomena can be observed in such a system. Here we demonstrate that avoided crossings in the spectrum of an optical cavity containing a flexible dielectric membrane enable us to realize several different forms of the optomechanical coupling. These include cavity detunings that are (to lowest order) linear, quadratic or quartic in the membrane’s displacement, and a cavity finesse that is linear in (or independent of) the membrane’s displacement. All these couplings are realized in a single device with extremely low optical loss and can be tuned over a wide range in situ. In particular, we find that the quadratic coupling can be increased three orders of magnitude beyond previous devices. As a result of these advances, the device presented here should be capable of demonstrating the quantization of the membrane’s mechanical energy. An optical cavity coupled to a micrometre-sized mechanical resonator offers the opportunity to see quantum effects in relatively large structures. It is now shown that a variety of coupling mechanisms enable investigation of these fascinating systems in a number of different ways.

We demonstrate a technique that enables ferromagnetic resonance measurements of the normal modes for magnetic excitations in individual nanoscale ferromagnets, smaller in volume by more than a factor of 50 compared to individual ferromagnetic samples measured by other resonance techniques. Studies of the resonance frequencies, amplitudes, linewidths, and line shapes as a function of microwave power, dc current, and magnetic field provide detailed new information about the exchange, damping, and spin-transfer torques that govern the dynamics in magnetic nanostructures.

We demonstrate a mechanical crystal with an optically programmable defect mode. By applying an optical spring to a single unit cell of a phononic crystal membrane, we smoothly transfer a single mechanical mode into the band gap, thereby localizing its spatial profile from one spanning the entire crystal to one confined within a few unit cells. This localization is evidenced by an enhanced mechanical frequency shift commensurate with a 37-fold reduction in the mode's participating mass. This fast, reversible, all-optical control represents a qualitatively new way to engineer mechanical defects, advantageously with in situ reconfigurability.