[論文レビュー] Coherent Control of Magnonic Spin Transport in an Antiferromagnetic Insulator

Tobias Wimmer, Akashdeep Kamra+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、容易面異方性およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用によって駆動される拡산的磁気励道輸送と共鳴進動により、反強磁性絶縁体である赤鉄鉱において、磁気励道スピン輸送および擬スピンダイナミクスの整合的制御を実証した。主な結果として、電子的Hanle効果およびDatta-Dasトランジスタの磁気励道的アナログの観察が得られ、将来のトポロジカルおよびスピントロニクス的応用に向けた磁気励道擬スピンの制御が可能になった。

ABSTRACT

The spin-1/2 of an electron makes it an archetypal two-level system and inspires the description of other two-level systems using an analogous pseudospin. The quantized spin excitations of an ordered antiferromagnet are such pairs of spin-up and -down magnons and can be characterized by a magnonic pseudospin, which has eluded experiments thus far. The similarity between electronic spin and magnonic pseudospin has triggered the prediction of exciting phenomena like emergent spin-orbit coupling and topological states in antiferromagnetic magnonics. Here, we report experiments demonstrating coherent control of magnon spin transport and pseudospin dynamics in a thin film of the antiferromagnetic insulator hematite. We quantitatively explain our experiments in terms of diffusive magnon transport and a coherent precession of the magnon pseudospin caused by the easy-plane anisotropy and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. This experimental observation can be viewed as the magnonic analogue of the electronic Hanle effect and the Datta-Das transistor, unlocking the high potential of antiferromagnetic magnonics towards the realization of rich electronics-inspired phenomena.

研究の動機と目的

• 反強磁性絶縁体における磁気励道擬スピンダイナミクスの実験的観測と制御を目的とし、長年の課題である磁気励道擬スピンの検出を克服すること。
• 電子的スピントロニクス現象と磁気励道系との間の関連を確立するために、Hanle効果およびDatta-Dasトランジスタの磁気励道的アナログを実現すること。
• 共鳴的磁気励道擬スピン進動を可能にする内在的相互作用（特に容易面異方性およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用）の役割を調査すること。
• 拡散的輸送モデルとスピン進動メカニズムを組み合わせた定量的説明を提供することにより、磁気励道輸送および擬スピンダイナミクスを解明すること。

提案手法

• 磁気励道輸送および擬スピン制御のプラットフォームとして、反強磁性絶縁体である薄膜赤鉄鉱を用いた。
• 材料内での磁気励道の伝播および減衰をモデル化するために、拡散的磁気励道輸送理論を用いた。
• 容易面異方性およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用の併用効果を用いて、磁気励道擬スピンの共鳴的進動を設計および測定した。
• 外部磁場を印加して進動周波数を調整し、磁気励道輸送の変調を観測することで、Hanle効果に類似した現象を再現した。
• スピン進動および拡散的輸送に基づく理論モデルと実験データの定量的比較を実施した。
• 擬スピン形式を用いて、磁気励道励起状態の二準位性（スピンアップおよびスピンダウンの磁気励道）を記述し、電子的スピン状態に類似した扱い方をした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤鉄鉱のような反強磁性絶縁体において、磁気励道擬スピンダイナミクスを共鳴的に制御できるか？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用および容易面異方性は、磁気励道擬スピンの共鳴的進動をどの程度可能にするか？
• RQ3 観測された磁気励道輸送は、電子的Hanle効果に類似した振る舞いを示すか？
• RQ4 磁気励道系は、拡散的輸送モデルと共鳴的擬スピン進動を組み合わせたモデルで記述可能か？
• RQ5 反強磁性系において、Datta-Dasスピントランジスタの実現可能な磁気励道的アナログが存在するか？

主な発見

• 本研究では、赤鉄鉱における磁気励道擬スピンの共鳴的制御を実験的に実証し、反強磁性絶縁体における磁気励道擬スピンの存在と操作可能性を確認した。
• 印加磁場に応じた明確な信号変調が観測され、容易面異方性およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用の併用効果による擬スピンの共鳴的進動が示された。
• 実験結果は、拡散的磁気励道輸送と共鳴的擬スピン進動を組み合わせたモデルにより定量的に説明可能であり、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 系は電子的Hanle効果に類似した振る舞いを示し、磁場の関数として共鳴進動に起因する信号の減衰が顕著に観察された。
• 本研究の成果は、電子的アナログにインspiredされた反強磁性磁気励道学におけるトポロジカルおよびスピントロニクス的現象の実現に基盤を築いた。
• 本研究は、磁気励道擬スピンが共鳴的に操作可能であることを確認し、磁気励道論理および情報処理への道筋を拓いた。