[論文レビュー] Laser induced enhanced coupling between photons and squeezed magnons in antiferromagnets

J. C. G. Henriques, T. V. C. Antão+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 50被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、ヘキサゴナル反強磁性体における光子と歪んだ磁気モードの結合を、交換相互作用の再正則化および合成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の誘導によって、円偏光レーザー場が強化することを提案する。 レーザーの調整により、磁気モード-光子結合強度が最大で1桁向上し、非可逆的磁気モード輸送を可能にするとともに、キャビティ透過スペクトルを用いた磁気モード分散のマッピングを実現する。

ABSTRACT

In this paper we consider a honeycomb antiferromagnet subject to an external laser field. Obtaining a time-independent effective Hamiltonian, we find that the external laser renormalizes the exchange interaction between the in-plane components of the spin-operators, and induces a synthetic Dzyaloshinskii-Moria interaction (DMI) between second neighbors. The former allows the control of the magnon dispersion's bandwidth and the latter breaks time-reversal symmetry inducing non-reciprocity in momentum space. The eigen-excitations of the system correspond to squeezed magnons whose squeezing parameters depend on the properties of the laser. When studying how these spin excitations couple with cavity photons, we obtain a coupling strength which can be enhanced by an order of magnitude via careful tuning of the laser's intensity, when compared to the case where the laser is absent. The transmission plots through the cavity are presented, allowing the mapping of the magnons' dispersion relation.

研究の動機と目的

• ヘキサゴナル反強磁性体における磁気モード励起に及ぼす円偏光レーザーの影響を調査すること。
• レーザー誘導合成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）が時間反転対称性を破り、非可逆的磁気モード輸送を可能にする仕組みを解明すること。
• キャビティ光子と歪んだ磁気モードの間の結合が、最適なレーザー調整によって最大で1桁向上することを実証すること。
• キャビティ透過スペクトルを用いて、レーザー制御下での磁気モード分散関係を実験的にマッピング可能にする。

提案手法

• Floquet形式を用いて、時間に依存しない有効ハミルトニアンを導出し、レーザー駆動反強磁性系を記述する。
• 有効ハミルトニアンを対角化するためのBogoliubov変換を適用し、固有励起状態を歪んだ磁気モードとして特定する。
• キャビティモードを導入し、磁気モードと結合させることで、ハイブリッド磁気モード-光子系をモデル化する。
• レーザー強度および偏光に依存する磁気モード-光子結合強度を計算する。
• キャビティ透過スペクトルをシミュレートし、レーザー制御下での磁気モード分散関係をマッピングする。
• Dzyaloshinskii-Moriya相互作用項を用いて時間反転対称性を破り、運動量空間における非可逆性を誘導する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光レーザー場は、ヘキサゴナル反強磁性体において交換相互作用をどのように修正し、合成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用を誘導するか？
• RQ2 レーザー場は磁気モード分散のバンド幅を調整可能であり、非可逆的磁気モード伝播を誘導できるか？
• RQ3 レーザーは、キャビティ光子と歪んだ磁気モードの間の結合をどの程度強化できるか？
• RQ4 レーザー照射下で修正された磁気モード分散は、キャビティ透過スペクトルにどのように反映されるか？

主な発見

• レーザー場は面内スピン交換相互作用を再正則化し、磁気モード分散のバンド幅を効果的に調整する。
• 第二近隣相互作用間に合成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用が誘導され、時間反転対称性が破られ、非可逆的磁気モード輸送が可能になる。
• 磁気モード固有励起状態は、レーザー強度および偏光に依存する歪みパラメータを持つ歪んだ状態である。
• 最適なレーザー調整により、非照射状態と比較して磁気モード-光子結合強度が最大で1桁向上する。
• キャビティ透過スペクトルは、レーザー誘導DMIおよびバンド調整の効果を含め、修正された磁気モード分散を明確にマッピングする。
• 系は、反強磁性秩序によって安定化され、さらにレーザー場によって制御可能な、頑健な平衡状態歪んだ磁気モードを支持する。