We report the magneto-optical response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG) at frequencies ranging from 300GHz to 1THz and determine the material response tensor. Within this frequency window, the materials exhibit nondispersive and low-loss optical responses. At low temperatures, significant terahertz Faraday rotations are found in the (S)GGG samples. Such a strong gyroelectric response is likely associated with the high-spin paramagnetic state of the Gd3+ ions. A model of the material response tensor is determined, together with the Verdet and magneto-optic constants.

1.
S.
Geller
,
Z. Kristallogr. Cryst. Mater.
125
,
1
(
2015
).
2.
Y. J.
Kim
, “An experimental search for the experimental search for the electron electric dipole moment in a gadolinium gallium garnet crystal,” Ph.D. dissertation (School Indiana University, Bloomington, 2011).
3.
S.
Hov
,
H.
Bratsberg
, and
A.
Skjeltorp
,
J. Magn. Magn. Mater.
15–18
,
455
(
1980
).
4.
W.
Dai
,
E.
Gmelin
, and
R.
Kremer
,
J. Phys. D Appl. Phys.
21
,
628
(
1988
).
5.
P.
Schiffer
,
A. P.
Ramirez
,
D. A.
Huse
, and
A. J.
Valentino
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
2500
(
1994
).
6.
P.
Schiffer
,
A. P.
Ramirez
,
D. A.
Huse
,
P. L.
Gammel
,
U.
Yaron
,
D. J.
Bishop
, and
A. J.
Valentino
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
2379
(
1995
).
7.
O. A.
Petrenko
,
C.
Ritter
,
M.
Yethiraj
, and
D.
McK Paul
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
4570
(
1998
).
8.
Y. K.
Tsui
,
N.
Kalechofsky
,
C. A.
Burns
, and
P.
Schiffer
,
J. Appl. Phys.
85
,
4512
(
1999
).
9.
O.
Petrenko
,
D.
Paul
,
C.
Ritter
,
T.
Zeiske
, and
M.
Yethiraj
,
Physica B
266
,
41
(
1999
).
10.
O.
Petrenko
,
G.
Balakrishnan
,
D.
McK Paul
,
M.
Yethiraj
, and
J.
Klenke
,
Appl. Phys. A
74
,
s760
(
2002
).
11.
O. A.
Petrenko
,
G.
Balakrishnan
,
D. M.
Paul
,
M.
Yethiraj
,
G. J.
McIntyre
, and
A. S.
Wills
,
J. Phys. Conf. Ser.
145
,
012026
(
2009
).
12.
P. P.
Deen
,
O.
Florea
,
E.
Lhotel
, and
H.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
91
,
014419
(
2015
).
13.
Y. J.
Kim
,
C.-Y.
Liu
,
S. K.
Lamoreaux
,
G.
Visser
,
B.
Kunkler
,
A. N.
Matlashov
,
J. C.
Long
, and
T. G.
Reddy
,
Phys. Rev. D
91
,
102004
(
2015
).
14.
N.
d’Ambrumenil
,
O. A.
Petrenko
,
H.
Mutka
, and
P. P.
Deen
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
227203
(
2015
).
15.
J. A. M.
Paddison
,
H.
Jacobsen
,
O. A.
Petrenko
,
M. T.
Fernández-Díaz
,
P. P.
Deen
, and
A. L.
Goodwin
,
Science
350
,
179
(
2015
).
16.
D.
Dijkkamp
,
T.
Venkatesan
,
X. D.
Wu
,
S. A.
Shaheen
,
N.
Jisrawi
,
Y. H.
Min-Lee
,
W. L.
McLean
, and
M.
Croft
,
Appl. Phys. Lett.
51
,
619
(
1987
).
17.
H. J.
Scheel
, “Introduction to liquid phase epitaxy,” in Liquid Phase Epitaxy of Electronic, Optical and Optoelectronic Materials (John Wiley & Sons, 2007), Chap. 1, pp. 1–19.
18.
C.
Tang
,
P.
Sellappan
,
Y.
Liu
,
Y.
Xu
,
J. E.
Garay
, and
J.
Shi
,
Phys. Rev. B
94
,
140403
(
2016
).
19.
C. O.
Avci
,
A.
Quindeau
,
C.-F.
Pai
,
M.
Mann
,
L.
Caretta
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
16
,
309
(
2016
).
20.
C.
Tang
,
C.-Z.
Chang
,
G.
Zhao
,
Y.
Liu
,
Z.
Jiang
,
C.-X.
Liu
,
M. R.
McCartney
,
D. J.
Smith
,
T.
Chen
,
J. S.
Moodera
, and
J.
Shi
,
Sci. Adv.
3
,
e1700307
(
2017
).
21.
A.
Quindeau
,
C. O.
Avci
,
W.
Liu
,
C.
Sun
,
M.
Mann
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
D.
Bono
,
P. M.
Voyles
,
Y.
Xu
,
J.
Robinson
,
G. S. D.
Beach
, and
C. A.
Ross
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1600376
(
2017
).
22.
C. N.
Wu
,
C. C.
Tseng
,
Y. T.
Fanchiang
,
C. K.
Cheng
,
K. Y.
Lin
,
S. L.
Yeh
,
S. R.
Yang
,
C. T.
Wu
,
T.
Liu
,
M.
Wu
,
M.
Hong
, and
J.
Kwo
,
Sci. Rep.
8
,
11087
(
2018
).
23.
A. R.
Bedyukh
,
V. V.
Danilov
,
A. Y.
Nechiporuk
, and
V. F.
Romanyuk
,
Low Temp. Phys.
25
,
182
(
1999
).
24.
W.-C.
Chiang
,
M.
Chern
,
J.
Lin
, and
C.
Huang
,
J. Magn. Magn. Mater.
239
,
332
(
2002
).
25.
M.
Pashkevich
,
A.
Stupakiewicz
,
A.
Kirilyuk
,
A.
Maziewski
,
A.
Stognij
,
N.
Novitskii
,
A.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
J. Appl. Phys.
111
,
023913
(
2012
).
26.
M. B.
Jungfleisch
,
V.
Lauer
,
R.
Neb
,
A. V.
Chumak
, and
B.
Hillebrands
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
022411
(
2013
).
27.
T.
Lin
,
C.
Tang
, and
J.
Shi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
132407
(
2013
).
28.
H.
Wang
,
C.
Du
,
P. C.
Hammel
, and
F.
Yang
,
Phys. Rev. B
89
,
134404
(
2014
).
29.
L. J.
Cornelissen
,
J.
Liu
,
R. A.
Duine
,
J. B.
Youssef
, and
B. J.
Van Wees
,
Nat. Phys.
11
,
1022
(
2015
).
30.
N. S.
Sokolov
,
V. V.
Fedorov
,
A. M.
Korovin
,
S. M.
Suturin
,
D. A.
Baranov
,
S. V.
Gastev
,
B. B.
Krichevtsov
,
K. Y.
Maksimova
,
A. I.
Grunin
,
V. E.
Bursian
,
L. V.
Lutsev
, and
M.
Tabuchi
,
J. Appl. Phys.
119
,
023903
(
2016
).
31.
A.
Stupakiewicz
, in Magnetic Materials, edited by K. Maaz (IntechOpen, Rijeka, 2016), Chap. 9.
32.
J.
Holanda
,
D. S.
Maior
,
A.
Azevedo
, and
S. M.
Rezende
,
Nat. Phys.
14
,
500
(
2018
).
33.
S. F.
Maehrlein
,
I.
Radu
,
P.
Maldonado
,
A.
Paarmann
,
M.
Gensch
,
A. M.
Kalashnikova
,
R. V.
Pisarev
,
M.
Wolf
,
P. M.
Oppeneer
,
J.
Barker
, and
T.
Kampfrath
,
Sci. Adv.
4
,
eaar5164
(
2018
).
34.
T. S.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
J.
Barker
,
S. T.
Weber
,
I.
Razdolski
,
J.
Cramer
,
O.
Gueckstock
,
S. F.
Maehrlein
,
L.
Nadvornik
,
S.
Watanabe
,
C.
Ciccarelli
,
A.
Melnikov
,
G.
Jakob
,
M.
Münzenberg
,
S. T. B.
Goennenwein
,
G.
Woltersdorf
,
B.
Rethfeld
,
P. W.
Brouwer
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Nat. Commun.
9
,
2899
(
2018
).
35.
M.
Liu
,
L.
Jin
,
J.
Zhang
,
Q.
Yang
,
H.
Zhang
,
P.
Gao
, and
D.
Yu
,
AIP Adv.
8
,
085117
(
2018
).
36.
S.
Kahl
,
V.
Popov
, and
A. M.
Grishin
,
J. Appl. Phys.
94
,
5688
(
2003
).
37.
E.
Popova
,
A. F. F.
Galeano
,
M.
Deb
,
B.
Warot-Fonrose
,
H.
Kachkachi
,
F.
Gendron
,
F.
Ott
,
B.
Berini
, and
N.
Keller
,
J. Magn. Magn. Mater.
335
,
139
(
2013
).
38.
M.
Pohl
,
L. E.
Kreilkamp
,
V. I.
Belotelov
,
I. A.
Akimov
,
A. N.
Kalish
,
N. E.
Khokhlov
,
V. J.
Yallapragada
,
A. V.
Gopal
,
M.
Nur-E-Alam
,
M.
Vasiliev
,
D. R.
Yakovlev
,
K.
Alameh
,
A. K.
Zvezdin
, and
M.
Bayer
,
New J. Phys.
15
,
075024
(
2013
).
39.
A. M.
Kalashnikova
,
V. V.
Pavlov
,
A. V.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
R. V.
Pisarev
,
Low Temp. Phys.
38
,
863
(
2012
).
40.
N.
Kumar
,
N.
Kim
,
Y.
Park
,
N.
Hur
,
J.
Jung
,
K.
Han
, and
K.
Yee
,
Thin Solid Films
516
,
7753
(
2008
).
41.
S.
Geprägs
,
A.
Kehlberger
,
F. D.
Coletta
,
Z.
Qiu
,
E.-J.
Guo
,
T.
Schulz
,
C.
Mix
,
S.
Meyer
,
A.
Kamra
,
M.
Althammer
,
H.
Huebl
,
G.
Jakob
,
Y.
Ohnuma
,
H.
Adachi
,
J.
Barker
,
S.
Maekawa
,
G. E. W.
Bauer
,
E.
Saitoh
,
R.
Gross
,
S. T. B.
Goennenwein
, and
M.
Kläui
,
Nat. Commun.
7
,
10452
(
2016
).
42.
M.
Evelt
,
H.
Ochoa
,
O.
Dzyapko
,
V. E.
Demidov
,
A.
Yurgens
,
J.
Sun
,
Y.
Tserkovnyak
,
V.
Bessonov
,
A. B.
Rinkevich
, and
S. O.
Demokritov
,
Phys. Rev. B
95
,
024408
(
2017
).
43.
L. J.
Cornelissen
,
J.
Liu
,
B. J.
van Wees
, and
R. A.
Duine
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
097702
(
2018
).
44.
B. J. H.
Stadler
and
T.
Mizumoto
,
IEEE Photon. J.
6
,
6678206
(
2014
).
45.
P.
Dulal
,
A. D.
Block
,
T. E.
Gage
,
H. A.
Haldren
,
S.-Y.
Sung
,
D. C.
Hutchings
, and
B. J. H.
Stadler
,
ACS Photon.
3
,
1818
(
2016
).
46.
B. J.
Stadler
and
D. C.
Hutchings
,
MRS Bull.
43
,
430
(
2018
).
47.
I. L.
Lyubchanskii
,
N. N.
Dadoenkova
,
M. I.
Lyubchanskii
,
E. A.
Shapovalov
, and
T.
Rasing
,
J. Phys. D Appl. Phys.
36
,
R277
(
2003
).
48.
I. L.
Lyubchanskii
,
N. N.
Dadoenkova
,
M. I.
Lyubchanskii
,
E. A.
Shapovalov
,
A.
Lakhtakia
, and
T.
Rasing
,
Phys. Status Solidi A
201
,
3338
(
2004
).
49.
I. L.
Lyubchanskii
,
N. N.
Dadoenkova
,
M. I.
Lyubchanskii
,
E. A.
Shapovalov
,
A.
Lakhtakia
, and
T.
Rasing
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5932
(
2004
).
50.
S.
Kahl
and
A. M.
Grishin
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1438
(
2004
).
51.
R.
Li
and
M.
Levy
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
251102
(
2005
).
52.
M.
Vasiliev
,
V. A.
Kotov
,
K. E.
Alameh
,
V. I.
Belotelov
, and
A. K.
Zvezdin
,
IEEE Trans. Magn.
44
,
323
(
2008
).
53.
M. N.
Alam
,
M.
Vasiliev
, and
K.
Alameh
, in 2009 9th International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (
IEEE
,
2009
), pp. 5–6.
54.
Z.
Wu
,
M.
Levy
,
V. J.
Fratello
, and
A. M.
Merzlikin
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
051125
(
2010
).
55.
I. L.
Lyubchanskii
,
N. N.
Dadoenkova
,
A. E.
Zabolotin
,
F. F. L.
Bentivegna
,
Y. P.
Lee
, and
Th.
Rasing
,
AIP Conf. Proc.
1291
,
133
(
2010
).
56.
A. M.
Grishin
and
S. I.
Khartsev
,
J. Phys. Conf. Ser.
352
,
012007
(
2012
).
57.
M.
Nur-E-Alam
,
M.
Vasiliev
, and
K.
Alameh
, in High Capacity Optical Networks and Emerging/Enabling Technologies (
IEEE
,
2012
), pp. 184–187.
58.
M.
Nur-E-Alam
,
M.
Vasiliev
,
V. A.
Kotov
,
D.
Balabanov
,
I.
Akimov
, and
K.
Alameh
,
Nanomaterials (Basel)
8
,
1977
(
2015
).
59.
A. L.
Chekhov
,
V. L.
Krutyanskiy
,
V. A.
Ketsko
,
A. I.
Stognij
, and
T. V.
Murzina
,
Opt. Mater. Express
5
,
1647
(
2015
).
60.
R.
Deghdak
,
M.
Bouchemat
,
M.
Lahoubi
,
S.
Pu
,
T.
Bouchemat
, and
H.
Otmani
,
J. Comput. Electron.
16
,
392
(
2017
).
61.
M.
Nur-E-Alam
,
M.
Vasiliev
,
V.
Belotelov
, and
K.
Alameh
,
Nanomaterials (Basel)
8
,
355
(
2018
).
62.
K.
Ghimire
,
H. F.
Haneef
,
R. W.
Collins
, and
N. J.
Podraza
,
Phys. Status Solidi B
252
,
2191
(
2015
).
63.
64.
H. B. G.
Casimir
,
Rev. Mod. Phys.
17
,
343
(
1945
).
65.
R.
Shimano
,
G.
Yumoto
,
J. Y.
Yoo
,
R.
Matsunaga
,
S.
Tanabe
,
H.
Hibino
,
T.
Morimoto
, and
H.
Aoki
,
Nat. Commun.
4
,
1841
(
2013
).
66.
The assumption of gyroelectric (εg0 and μg=0) response can be justified by noting the experimental observation that the Gd moments can order antiferromagnetically at low temperatures (T<0.2K) in weak magnetic fields.15 The magnetic properties imply that the Gd moments are weakly coupled to each other and to the lattice, and thus that μg0. Our DFT calculations for GGG support these conclusions: The weak interactions result from both the relatively large Gd-Gd separations and, more importantly, from the fact that the Gd 4f states are effectively corelike, with little hybridization with the GGG valence states, which again argues for μg0. The local exchange fields due to the Gd 4f7 moments cause a polarization of the Gd valence and conduction states, but the quantization direction is determined by the external field.
67.
M.
Dutoit
,
J. Appl. Phys.
45
,
2836
(
1974
).
68.
J. D.
Adam
,
J. H.
Collins
, and
D. B.
Cruikshank
,
AIP Conf. Proc.
29
,
643
(
1976
).
69.
W.
Withayachumnankul
,
B. M.
Fischer
, and
D.
Abbott
,
Proc. R. Soc. A
464
,
2435
(
2008
).
70.
M.
van Exter
,
C.
Fattinger
, and
D.
Grischkowsky
,
Opt. Lett.
14
,
1128
(
1989
).
71.
W.
Withayachumnankul
and
M.
Naftaly
, “Parameter extraction in time-domain spectrometers,” in Terahertz Metrology (Artech House Publishers, 2015), Chap. 2.
72.
K.
Lal
and
H. K.
Jhans
,
J. Phys. C Solid State Phys.
10
,
1315
(
1977
).
73.
R. D.
Shannon
,
J. Appl. Phys.
73
,
348
(
1993
).
74.
A.
Belyaeva
,
A.
Galuza
, and
A.
Kudlenko
,
Semicond. Phys. Quantum Electron. Optoelectron.
6
,
81
(
2003
).
75.
O.
Galstyan
,
H.
Lee
,
A.
Babajanyan
,
A.
Hakhoumian
,
B.
Friedman
, and
K.
Lee
,
J. Appl. Phys.
117
,
163914
(
2015
).
76.
M.
Levy
,
O. V.
Borovkova
,
C.
Sheidler
,
B.
Blasiola
,
D.
Karki
,
F.
Jomard
,
M. A.
Kozhaev
,
E.
Popova
,
N.
Keller
, and
V. I.
Belotelov
,
Optica
6
,
642
(
2019
).
77.
A. V.
Starobor
,
D. S.
Zheleznov
,
O. V.
Palashov
, and
E. A.
Khazanov
,
J. Opt. Soc. Am. B
28
,
1409
(
2011
).
78.
D. M.
Heinz
,
L. A.
Moudy
,
P. E.
Elkins
, and
D. J.
Klein
,
J. Electron. Mater.
1
,
310
(
1972
).
79.
A.
Antyukhov
,
A.
Sidorov
,
I.
Ivanov
, and
A.
Antonov
,
Inorg. Mater. (Engl. Transl.)
23
,
702
(
1987
).
80.
M. K. P.
Novotný
and
P.
Boháček
,
J. Anal. Sci. Methods Instrum.
3
,
13
(
2013
).
81.
D. M.
Pozar
,
Microwave Engineering
, 4th ed. (
Wiley
,
Hoboken, NJ
,
2005
).
82.
C.
Leycuras
,
H.
Le Gall
,
M.
Guillot
, and
A.
Marchand
,
J. Appl. Phys.
55
,
2161
(
1984
).
83.
G.
Liu
,
B.
Yuan
,
N.
Zhang
, and
X.
Gong
,
J. Appl. Phys.
78
,
4054
(
1995
).
84.
W.
Wang
,
M.
Gu
, and
G.
Liu
,
Phys. Rev. B
72
,
014415
(
2005
).
85.
S.
Foner
,
Rev. Sci. Instrum.
30
,
548
(
1959
).
86.
X. Y.
Sun
,
Q.
Du
,
T.
Goto
,
M. C.
Onbasli
,
D. H.
Kim
,
N. M.
Aimon
,
J.
Hu
, and
C. A.
Ross
,
ACS Photon.
2
,
856
(
2015
).
87.
M.
Saito
,
R.
Tajima
,
R.
Kiyosawa
,
Y.
Nagata
,
H.
Shimada
,
T.
Ishibashi
, and
A.
Hatakeyama
,
AIP Adv.
6
,
125023
(
2016
).
88.
L.
Soumah
,
N.
Beaulieu
,
L.
Qassym
,
C.
Carrétéro
,
E.
Jacquet
,
R.
Lebourgeois
,
J.
Ben Youssef
,
P.
Bortolotti
,
V.
Cros
, and
A.
Anane
,
Nat. Commun.
9
,
3355
(
2018
).
89.
J. H.
Van Vleck
and
M. H.
Hebb
,
Phys. Rev.
46
,
17
(
1934
).
90.
L.
Gongqiang
,
H.
Yanping
, and
Y.
Zhiqiang
,
Phys. Rev. B
41
,
749
(
1990
).
91.
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
2731
(
2010
).
92.
T.-A.
Tsai
,
C.-C.
Wang
,
H.-W.
Wang
,
I.-L.
Chang
, and
L.-W.
Chen
,
Int. J. Phys. Math. Sci.
9
,
415
(
2015
).
93.
R. R.
Subkhangulov
,
R. V.
Mikhaylovskiy
,
A. K.
Zvezdin
,
V. V.
Kruglyak
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nat. Photon.
10
,
111
(
2016
).
94.
P. N.
Argyres
,
Phys. Rev.
97
,
334
(
1955
).
95.
R. Z.
Levitin
,
A. K.
Zvezdin
,
M.
von Ortenberg
,
V. V.
Platonov
,
V. I.
Plis
,
A. I.
Popov
,
N.
Puhlmann
, and
O. M.
Tatsenko
,
Phys. Solid State
44
,
2107
(
2002
).
You do not currently have access to this content.