[論文レビュー] Long-distance supercurrent transport in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate

Dmytro A. Bozhko, Alexander J. E. Kreil+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、熱的に誘発されたポテンシャル井戸からの位相勾配によって駆動される常温ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）状態の磁気子系における長距離スーパーカレント輸送を実証している。周波数および波数分解能を有するブリュースタン光散乱を用いて、著者らは、数百ミクロンにわたって伝播するコherentで長寿命な密度波を観測した。この波はボゴリューボフ励起状態として同定され、第二音波パルスとしての性質を示し、常温における準粒子系としての巨視的量子輸送を確認した。

ABSTRACT

The term supercurrent relates to a macroscopic dissipation-free collective motion of a quantum condensate and is commonly associated with such famous low-temperature phenomena as superconductivity and superfluidity. Another type of motion of quantum condensates is second sound - a wave of the density of a condensate. Recently, we reported on an enhanced decay of a parametrically induced Bose-Einstein condensate (BEC) of magnons caused by a supercurrent outflow of the BEC phase from the locally heated area of a room temperature magnetic film. Here, we present the direct experimental observation of a long-distance spin transport in such a system. The condensed magnons being pushed out from the potential well within the heated area form a density wave, which propagates through the BEC many hundreds of micrometers in the form of a specific second sound pulse - Bogoliubov waves - and is reflected from the sample edge. The discovery of the long distance supercurrent transport in the magnon BEC further advances the frontier of the physics of quasiparticles and allows for the application of related transport phenomena for low-loss data transfer in perspective magnon spintronics devices.

研究の動機と目的

• 常温磁気子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）における長距離スーパーカレント輸送を実験的に実証すること。
• スーパーカレントの流れと磁気子BEC内における第二音波に類似た励起状態との関係を調査すること。
• 均一なBEC領域におけるスーパーカレント流出によって誘発される密度揺らぎの空間的・時間的ダイナミクスを特徴付けること。
• グロス＝ピタエフスキー方程式の枠組みを用いて観測を検証し、伝播する励起状態の波動的性質を確認すること。

提案手法

• 磁気子BECのマグネトダイレクティックなホストとして単結晶イットリウム鉄ガーネット（YIG）膜が用いられ、マイクロ波パラメトリックポンピングによって凝縮状態が生成された。
• 405 nmのレーザーを80 µmのスポットに集光してYIG膜を局所加熱し、磁気的不均一性と磁気子のためのポテンシャル井戸を形成した。
• 250 psの時間分解能を有する周波数および波数分解能を有する時間分解ブリュースタン光散乱（BLS）を用いて、磁気子のダイナミクスをプローブした。
• 100 MHzの周波数分解能を持つ2段階のファブリ・ペロー干渉計を用いて、光子数を測定し、磁気子モードに対応する周波数シフトを抽出した。
• 精密な直線位置決めステージを用いて10 µmの空間分解能を達成し、加熱領域および冷却領域を走査可能とした。
• COMSOL Multiphysicsを用いた3次元熱伝導モデルにより、レーザー集光部で40 Kの上昇が予測され、BECにおける周波数シフトが4.6 MHzに達することが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常温磁気子BECにおいて、巨視的スーパーカレントが長距離にわたって輸送可能か？
• RQ2 均一なBEC領域におけるスーパーカレントの流出によって形成される密度波の性質は何か？
• RQ3 スーパーカレントによって誘発される摂動はどのように伝播するのか？第二音波として記述可能か？
• RQ4 観測されたダイナミクスは、ボゴリューボフ励起状態に対するグロス＝ピタエフスキー方程式の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 位相勾配および非線形性が、励起状態の長距離伝播を維持する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 位相勾配が駆動するコherentな密度波（ボゴリューボフ励起状態として同定）が、磁気子BEC内で500 µm以上にわたって最小限の歪みを伴って伝播した。
• 長波長極限における線形分散関係が観測され、これは第二音波モードとしての同定を裏付けた。
• この波は、熱的に誘発されたポテンシャル井戸からのスーパーカレント流出によって生成され、位相勾配が集団的運動を駆動した。
• 常温におけるYIG膜内での磁気子BECの低減衰性が、数百ミクロンにわたる伝播を可能にした。
• 加熱によるBECモードの周波数シフトは2π·4.6 MHzに測定され、非線形周波数シフトΩNLより著しく小さく、系の非線形性が弱いことを示した。
• 実験データは、グロス＝ピタエフスキー方程式に基づくシミュレーションと良好に一致し、振幅と位相が振動するソリトンに類似た励起状態の性質を確認した。