[論文レビュー] Coherent strong-coupling of terahertz magnons and phonons in a Van der Waals antiferromagnetic insulator

Q. Zhang, Mykhaylo Ozerov+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 37被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ゼーマン調整を用いた遠赤外線透過分光法により、van der Waals反強磁性絶縁体FePS3において、テラヘルツ帯域の磁気モード（マグノン）と格子モード（フォノン）の間で、直接的かつ一貫した強い結合が観測された。巨大な結合強度120 GHz（0.5 meV）が観測され、g/ω比が4.5%、コOPERATIVITYが29に達した。第一原理計算により、この結合はスピン-軌道結合に起因するフォノン駆動型磁気異方性の変調に起因することが明らかになった。

ABSTRACT

Emergent cooperative motions of individual degrees of freedom, i.e. collective excitations, govern the low-energy response of system ground states under external stimulations and play essential roles for understanding many-body phenomena in low-dimensional materials. The hybridization of distinct collective modes provides a route towards coherent manipulation of coupled degrees of freedom and quantum phases. In magnets, strong coupling between collective spin and lattice excitations, i.e., magnons and phonons, can lead to coherent quasi-particle magnon polarons. Here, we report the direct observation of a series of terahertz magnon polarons in a layered zigzag antiferromagnet FePS3 via far-infrared (FIR) transmission measurements. The characteristic avoided-crossing behavior is clearly seen as the magnon-phonon detuning is continuously changed via Zeeman shift of the magnon mode. The coupling strength g is giant, achieving 120 GHz (0.5 meV), the largest value reported so far. Such a strong coupling leads to a large ratio of g to the resonance frequency (g/ω) of 4.5%, and a value of 29 in cooperativity (g^2/γ_{ph}γ_{mag}). Experimental results are well reproduced by first-principle calculations, where the strong coupling is identified to arise from phonon-modulated anisotropic magnetic interactions due to spin-orbit coupling. These findings establish FePS3 as an ideal testbed for exploring hybridization-induced topological magnonics in two dimensions and the coherent control of spin and lattice degrees of freedom in the terahertz regime.

研究の動機と目的

• 2次元van der Waals反強磁性絶縁体における集団的スピン（マグノン）と格子（フォノン）励起状態の間の協調的結合を調査すること。
• 低次元量子材料における強い結合によって生じるハイブリッド化した準粒子（テラヘルツ帯域マグノンポラリトン）の出現を探索すること。
• 強い結合の微視的起源を第一原理計算を用いて同定すること。
• FePS3がトポロジカルマグノニクスおよびスピン・格子自由度の協調的テラヘルツ制御のプラットフォームとして機能できることを確立すること。

提案手法

• マグノンおよびフォノンモードをプローブするため、剥離したFePS3フラクタルを用いて遠赤外線（FIR）透過測定を実施した。
• 外部磁場を用いてゼーマン分裂を導入し、マグノンモードエネルギーを連続的に調整し、回避的準位クロスイングを誘発した。
• 実験データは、マグノンとフォノンの間の強い結合を示す回避的クロスイングの特徴を分析した。
• 第一原理計算を用いて電子構造およびスピン-格子結合をモデル化し、スピン-軌道結合がフォノン駆動型磁気異方性の原因であることを同定した。
• 実験スペクトルへのフィットから、結合強度g、共鳴周波数ω、減衰率γを抽出し、理論的予測と比較した。
• コOPERATIVITY（g²/(γ_ph γ_mag)）および正規化された結合強度（g/ω）を計算し、結合の強さとコhereneyを定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元van der Waals反強磁性絶縁体において、テラヘルツ帯域マグノンとフォノンの間で、協調的強い結合が実験的に観測可能か。
• RQ2 FePS3におけるマグノンとフォノンの間の結合強度の大きさと性質は何か。他の系と比較してどうか。
• RQ3 強い結合の微視的起源は何か。スピン-軌道結合はスピン自由度と格子自由度の間の相互作用をどのように媒介するか。
• RQ4 観測された結合はどの程度第一原理計算で記述可能か。これは量子材料の設計にどのような示唆をもたらすか。
• RQ5 この系は、トポロジカルマグノニクスおよびスピン・格子励起状態の協調的テラヘルツ制御のプラットフォームとして機能可能か。

主な発見

• マグノンモードをゼーマンシフトで調整する過程で、FIR透過スペクトルに明確な回避的クロスイングの特徴が多数観測され、マグノンとフォノンの間の協調的強い結合が確認された。
• 結合強度gは120 GHz（0.5 meV）に達し、これまで報告されたあらゆる系の中で最大の値であり、顕著な光-物質相互作用強度を示している。
• 正規化された結合強度g/ωは4.5%に達し、キャビティ量子電磁力学系の典型的な値を著しく上回っている。
• コOPERATIVITYパラメータは29に達し、強い協調的結合であり、集団モードの量子制御の可能性を示している。
• 第一原理計算により、強い結合がスピン-軌道結合に起因するフォノン駆動型磁気異方性の変調に起因することが確認された。
• 本研究の結果により、FePS3はハイブリダイゼーション誘発型トポロジカルマグノニクスおよびスピン・格子自由度の協調的テラヘルツ制御のための有望なプラットフォームであることが確立された。