Circularly-polarized extreme ultraviolet and X-ray radiation is useful for analysing the structural, electronic and magnetic properties of materials. To date, such radiation has only been available at large-scale X-ray facilities such as synchrotrons. Here, we demonstrate the first bright, phase-matched, extreme ultraviolet circularly-polarized high harmonics source. The harmonics are emitted when bi-chromatic counter-rotating circularly-polarized laser pulses field-ionize a gas in a hollow-core waveguide. We use this new light source for magnetic circular dichroism measurements at the M-shell absorption edges of Co. We show that phase-matching of circularly-polarized harmonics is unique and robust, producing a photon flux comparable to linearly polarized high harmonic sources. This work represents a critical advance towards the development of table-top systems for element-specific imaging and spectroscopy of multiple elements simultaneously in magnetic and other chiral media with very high spatial and temporal resolution. A table-top scheme generates the extreme ultraviolet light required for performing magnetic circular dichroism spectroscopy.

Uncovering the physical mechanisms that govern ultrafast charge and spin dynamics is crucial for understanding correlated matter as well as the fundamental limits of ultrafast spin-based electronics. Spin dynamics in magnetic materials can be driven by ultrashort light pulses, resulting in a transient drop in magnetization within a few hundred femtoseconds. However, a full understanding of femtosecond spin dynamics remains elusive. Here we spatially separate the spin dynamics using Ni/Ru/Fe magnetic trilayers, where the Ni and Fe layers can be ferro- or antiferromagnetically coupled. By exciting the layers with a laser pulse and probing the magnetization response simultaneously but separately in Ni and Fe, we surprisingly find that optically induced demagnetization of the Ni layer transiently enhances the magnetization of the Fe layer when the two layer magnetizations are initially aligned parallel. Our observations are explained by a laser-generated superdiffusive spin current between the layers. Spin dynamics in magnetic materials can be driven by ultrafast light pulses, resulting in transient magnetization changes on femtosecond timescales. Rudolphet al. find that in magnetic trilayers the magnetization of one layer can be enhanced by superdiffusive spin currents from adjacent layers.

Proposals for novel spin-orbitronic logic1 and memory devices2 are often predicated on assumptions as to how materials with large spin-orbit coupling interact with ferromagnets when in contact. Such interactions give rise to a host of novel phenomena, such as spin-orbit torques3,4 , chiral spin-structures5,6 and chiral spin-torques. These chiral properties are related to the anti-symmetric exchange, also referred to as the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI)9,10. For numerous phenomena, the relative strengths of the symmetric Heisenberg exchange and the DMI is of great importance. Here, we use optical spin-wave spectroscopy (Brillouin light scattering) to directly determine the DMI vector for a series of Ni80Fe20/Pt samples, and then compare the nearest-neighbor DMI coupling energy with the independently measured Heisenberg exchange integral. We find that the Ni80Fe20-thickness-dependencies of both the microscopic symmetric- and antisymmetric-exchange are identical, consistent with the notion that the basic mechanisms of the DMI and Heisenberg exchange essentially share the same underlying physics, as was originally proposed by Moriya11. While of significant fundamental importance, this result also leads us to a deeper understanding of DMI and how it could be optimized for spin-orbitronic applications.

The phenomenology of magnetic damping is of critical importance for devices that seek to exploit the electronic spin degree of freedom since damping strongly affects the energy required and speed at which a device can operate. However, theory has struggled to quantitatively predict the damping, even in common ferromagnetic materials. This presents a challenge for a broad range of applications in spintronics and spin-orbitronics that depend on materials and structures with ultra-low damping. Such systems enable many experimental investigations that further our theoretical understanding of numerous magnetic phenomena such as damping and spin-transport mediated by chirality and the Rashba effect. Despite this requirement, it is believed that achieving ultra-low damping in metallic ferromagnets is limited due to the scattering of magnons by the conduction electrons. However, we report on a binary alloy of Co and Fe that overcomes this obstacle and exhibits a damping parameter approaching 0.0001, which is comparable to values reported only for ferrimagnetic insulators. We explain this phenomenon by a unique feature of the bandstructure in this system: The density of states exhibits a sharp minimum at the Fermi level at the same alloy concentration at which the minimum in the magnetic damping is found. This discovery provides both a significant fundamental understanding of damping mechanisms as well as a test of theoretical predictions.

Magnonics addresses the physical properties of spin waves and utilizes them for data processing. Scalability down to atomic dimensions, operation in the GHz-to-THz frequency range, utilization of nonlinear and nonreciprocal phenomena, and compatibility with CMOS are just a few of many advantages offered by magnons. Although magnonics is still primarily positioned in the academic domain, the scientific and technological challenges of the field are being extensively investigated, and many proof-of-concept prototypes have already been realized in laboratories. This roadmap is a product of the collective work of many authors, which covers versatile spin-wave computing approaches, conceptual building blocks, and underlying physical phenomena. In particular, the roadmap discusses the computation operations with the Boolean digital data, unconventional approaches, such as neuromorphic computing, and the progress toward magnon-based quantum computing. This article is organized as a collection of sub-sections grouped into seven large thematic sections. Each sub-section is prepared by one or a group of authors and concludes with a brief description of current challenges and the outlook of further development for each research direction.

The study of ultrafast dynamics in magnetic materials provides rich opportunities for greater fundamental understanding of correlated phenomena in solid-state matter, because many of the basic microscopic mechanisms involved are as-yet unclear and are still being uncovered. Recently, two different possible mechanisms have been proposed to explain ultrafast laser induced magnetization dynamics: spin currents and spin-flip scattering. In this work, we use multilayers of Fe and Ni with different metals and insulators as the spacer material to conclusively show that spin currents can have a significant contribution to optically induced magnetization dynamics, in addition to spin-flip scattering processes. Moreover, we can control the competition between these two processes, and in some cases completely suppress interlayer spin currents as a sample undergoes rapid demagnetization. Finally, by reversing the order of the Fe/Ni layers, we experimentally show that spin currents are directional in our samples, predominantly flowing from the top to the bottom layer.

The underlying physics of all ferromagnetic behavior is the cooperative interaction between individual atomic magnetic moments that results in a macroscopic magnetization. In this work, we use extreme ultraviolet pulses from high-harmonic generation as an element-specific probe of ultrafast, optically driven, demagnetization in a ferromagnetic Fe-Ni alloy (permalloy). We show that for times shorter than the characteristic timescale for exchange coupling, the magnetization of Fe quenches more strongly than that of Ni. Then as the Fe moments start to randomize, the strong ferromagnetic exchange interaction induces further demagnetization in Ni, with a characteristic delay determined by the strength of the exchange interaction. We can further enhance this delay by lowering the exchange energy by diluting the permalloy with Cu. This measurement probes how the fundamental quantum mechanical exchange coupling between Fe and Ni in magnetic materials influences magnetic switching dynamics in ferromagnetic materials relevant to next-generation data storage technologies.

We have developed a tabletop-scale instrument to perform element-specific spectroscopic studies, such as x-ray detected ferromagnetic resonance spectroscopy, at high frequencies (>60 GHz) by combining an RF frequency comb generator with a high-harmonic generation source.