[論文レビュー] Hydrodynamic sound modes and Galilean symmetry breaking in a magnon fluid

Joaquin F. Rodriguez-Nieva, Daniel K. Podolsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ギャップのあるフェロ磁性体におけるマグノン流体が、動的粘性支配の音響モードによって支配される流体力学的状態を示すことを提案している。この音響モードは、縦スピンチャンネルにおける運動量保存型マグノン散乱に起因し、スピンキュービット磁力計を用いて検出可能である。この音響モードは運動量保存型マグノン散乱に起因し、SU(2)対称性によって保護され、エネルギーおよび長さスケール全域にわたり普遍的にガリレオ不変性が破れる。これにより、磁性体における量子流体力学を研究するための新たなプラットフォームが提供される。

ABSTRACT

The non-interacting magnon gas description in ferromagnets breaks down at finite magnon density where momentum-conserving collisions between magnons become important. Observation of the collision-dominated regime, however, has been hampered by the lack of probes to access the energy and lengthscales characteristic of this regime. Here we identify a key signature of the collision-dominated hydrodynamic regime---a magnon sound mode---which governs dynamics at low frequencies and can be detected with recently-introduced spin qubit magnetometers. The magnon sound mode is an excitation of the longitudinal spin component with frequencies below the spin wave continuum in gapped ferromagnets. We also show that, in the presence of exchange interactions with SU(2) symmetry, the ferromagnet hosts an usual hydrodynamic regime that lacks Galilean symmetry at all energy and lengthscales. The hydrodynamic sound mode, if detected, can lead to a new platform to explore hydrodynamic behavior in quantum materials.

研究の動機と目的

• 有限マグノン密度下で運動量保存型衝突が支配的であるマグノン流体において、検出可能な流体力学的兆候を特定すること。
• フェロ磁性体におけるSU(2)対称性が、すべてのスケールで固有のガリレオ不変性の破れを伴う流体力学的状態を生じることを示すこと。
• スピンキュービット磁力計を用いた実験的手順を提案し、縦マグノン音響モードを検出すること。
• プラズモンモードの欠如と第二音響モードに類似したモードの存在を特定することで、マグノン流体力学と電子流体力学を区別すること。

提案手法

• 運動量保存型衝突を含むマグノンガスモデルを用いて流体力学的状態を導出し、緩和長 ℓ が温度および密度に従い ℓ ∝ (T/J)^(d+1)/2 / (na^(d-1)) のように減少することを示した。
• マグノン密度ゆらぎに起因する集団励起モードとして、スピン密度相関関数 ⟨ŜᶻŜᶻ⟩ におけるマグノン音響モードを特定した。
• ボゴリューボフ変換を用いて二次ハミルトニアンを対角化し、双極子相互作用が存在しても二次分散が保たれることを確認した。
• 三マグノン過程を粒子数漏れの原因とし、漏れ率 τ_leak⁻¹ ∝ λ₃²(z²−z³) を計算することで、周波数 ω ≫ 1 MHz においてマグノン数保存が成立することを裏付けた。
• 音響モードは、粘性力に起因する臨界周波数 ω* 以上で減衰し、スペクトル関数に明確な低周波数モードとして現れることを示した。
• SU(2)対称性がマグノン-マグノン散乱における強い運動量依存性を生じさせ、凝縮相との衝突を抑制し、二次分散を維持することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量保存型衝突が支配的である場合、スピンテクスチャが存在しない状況でもマグノン流体において流体力学的状態が出現するか？
• RQ2 SU(2)対称性下で縦スピンチャンネルに出現する集団励起モード（音響モード）の性質は何か？
• RQ3 SU(2)対称性がすべてのエネルギーおよび長さスケールで普遍的なガリレオ不変性の破れを引き起こす仕組みは何か？
• RQ4 マグノン音響モードは実験的に検出可能か？また、このモードを最適に探査するためのプローブは何か？
• RQ5 三マグノン過程はマグノン数保存および流体力学的状態の安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 緩和長 ℓ ≈ 50 nm が T/J ≈ 0.2 および na² ≈ 0.1 で達成され、ℓ ≪ L（例：L ≈ 10 μm）を満たすため、粘性輸送が可能となる。
• 低周波数域において、スピン密度相関関数 ⟨ŜᶻŜᶻ⟩ に線形分散を持つマグノン音響モードが現れ、スピン波連続体とは明確に異なる。
• 音響モードは粘性力に起因し、臨界周波数 ω* 以上で減衰し、スペクトル関数 χ(q,ω) に明確なシグナルとして現れる。
• J ≈ 1000 K、λ₃ ≈ 1 K、z ≈ 0.9 の条件下で、漏れ率 τ_leak⁻¹ ≈ 5 MHz が計算され、ω ≫ 1 MHz においてマグノン数保存が成立することが裏付けられた。
• ガリレオ不変性の破れは、SU(2)対称性に起因し、すべてのスケールで普遍的である。これは、格子系では高エネルギー領域でのみ破れるのとは対照的である。
• 対称性保護により凝縮相との散乱が抑制され、二次マグノン分散が維持されることから、U(1)対称性の破れを伴う系とは明確に区別される。