[論文レビュー] Cavity-Induced Strong Magnon-Magnon Coupling in Altermagnets

Zhejunyu Jin, Huanhuan Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、垂直磁場によって誘発されるキラルな磁気モードの分裂を活用し、仮想光子の交換を通じて、altermagnetにおけるキャビティ媒介の長距離強い磁気モード-磁気モード結合を提案する。主な結果として、高分散領域において、RuO₂で最大0.49 meVに達する非常に異方的で有効な磁気モード-磁気モード結合強度が実現可能であり、非局所的な量子磁気モード相互作用を可能にする。

ABSTRACT

Long-distance strong coupling between short-wavelength magnons remains an outstanding challenge in quantum magnonics, an emerging interdiscipline between magnonics and quantum information science. Recently, altermagnets are identified as the third elementary class of magnets that break the time-reversal symmetry without magnetization and thus combine characteristics of conventional collinear ferromagnets and antiferromagnets. In this work, we show that cavity photons can mediate the long-distance strong coupling of exchange magnons with opposite chiralities in altermagnets, manifesting as an anticrossing of the magnon-polariton spectrum in the extremely dispersive regime. The predicted effective magnon-magnon coupling strongly depends on the magnon propagation direction, and is thus highly anisotropic. Our findings are intimately connected to the intrinsic nature of altermagnetic magnons, i.e., chirality-splitting-induced crossing of exchange magnons, which has no counterpart in conventional ferromagnets or antiferromagnets, and may open a new path way for magnon-based quantum information processing in altermagnets.

研究の動機と目的

• 量子磁気モニクスにおいて短波長の磁気モード間の長距離強い結合を実現する課題に対処すること。
• 磁気モーメントの純量がゼロであるが時間反転対称性を破るaltermagnetの特徴的な性質を、非局所的磁気モード結合のプラットフォームとして探求すること。
• キャビティ光子がaltermagnetにおける反対のキラル性を持つ交換磁気モード間で強いつながりを媒介できることを示すこと。
• 分散領域における仮想光子によって媒介される有効な磁気モード-磁気モード結合強度の解析的式を導出し、検証すること。
• altermagnetにおける交換相互作用の固有の異方性に起因する結合の異方的性質を明らかにすること。

提案手法

• 異方的層内交換相互作用を有する2サブラティス altermagnet をモデル化し、垂直磁場を適用することで、キラル磁気モードのdegeneracy点をk=0から有限のkにシフトさせる。
• 2次摂動論を用いて、分散的磁気モード-光子結合レートλₖから有効な磁気モード-磁気モード結合強度を導出する。
• 波数k_cと伝搬角度φを含む超越方程式を解き、磁気モード-極化子スペクトルにおける反交叉点を特定する。
• 数値シミュレーションを用いて、磁場h、交換比J₁/J₂、伝搬方向φの関数としての有効結合強度g_effの解析的予測を検証する。
• 異方性定数Kと双極子-双極子相互作用の役割を分析し、周波数不一致が大きく、1/d³衰減を示すため、g_effにほとんど影響しないことを示す。
• 実際のパラメータ（α = 1.0×10⁻³）におけるRuO₂で、最大100に達する協調性を計算し、強い結合領域を確認する。

Figure 1: Schematics of the cavity-induced long-distance magnon-magnon coupling in altermagnets. The effective coupling (dashed green wavy line) between two magnons with opposite chiralities is mediated by the cavity photon.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ光子は、altermagnetにおける短波長の交換磁気モード間で長距離強い結合を媒介できるか？
• RQ2 垂直磁場の適用が磁気モードのdegeneracy点に与える影響は何か？ そして、非局所的結合を可能にする仕組みは？
• RQ3 分散領域における仮想光子交換によって誘発される有効な磁気モード-磁気モード結合の解析的形は何か？
• RQ4 有効結合強度は磁気モードの伝搬方向にどのように依存し、その異方性の原因は何か？
• RQ5 双極子-双極子相互作用や磁気的異方性は、キャビティ媒介の仮想プロセスと比較して、有効結合にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 垂直磁場により、磁気モードのdegeneracy点がk=0からk_c ≠ 0にシフトし、交換領域における強い結合が可能になる。
• キャビティ誘発の磁気モード-磁気モード結合は、光子周波数が磁気モード周波数よりも数個のオーダー高いにもかかわらず、磁気モード-極化子スペクトルに反交叉として現れる。
• 実際の条件（N/V ~ 10²³ cm⁻³、h = 0.6 meV）下で、RuO₂における有効結合強度g_effは最大0.49 meVに達し、高分散領域における強い結合を示している。
• 有効結合強度g_effは非常に異方的であり、磁場hおよび交換比J₁/J₂に対して非線形に依存し、φ = 0またはπで最大値を示す。これは群速度差が最大になるためである。
• 磁気モードとキャビティ光子の周波数不一致が大きいことから、有効結合は異方性定数Kにほとんど依存しない。
• 伝搬角度φに関するg_effの数値的結果は、2次摂動論から導出された解析的式と良好に一致している。

Figure 2: (a) Schematic illustration of a two-sublattice altermagnet. Spin-up and-down atoms are labeled by red and blue spheres, respectively. The black spheres correspond to nonmagnetic atoms. Magnon dispersion for $h/J_{2}=0$ (b) and $h/J_{2}=0.3$ (c). Curves and circles represent the magnons pro