[論文レビュー] Magnon Supercurrent in a Magnon Bose-Einstein Condensate subject to a Thermal Gradient

Per Axel Clausen, B. Hillebrands|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Strong Light-Matter Interactions参考文献 10被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、室温における磁振子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）に熱勾配を印加することで、磁振子スーパーコンダクションが存在することを示している。時間分解ブリューヌ光散乱を用いて、局所的レーザー加熱が凝縮状態の波動関数に位相勾配を生じさせ、その結果として定常状態の密度と一時的緩和ダイナミクスに変化を引き起こすスーパーコンダクションが駆動されることを明らかにした。一方、気体相の緩和ダイナミクスには影響を及ぼさない。

ABSTRACT

We report evidence for the existence of a supercurrent of magnons in a magnon Bose-Einstein condensate (BEC) prepared in a room temperature yttrium-iron-garnet (YIG) magnetic film. The magnon BEC is formed in a parametrically populated magnon gas, and its temporal evolution is studied by time-resolved Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy in the area of the BLS laser focus. It has been found that local laser heating in the center of the condensate decreases the density of the magnon BEC in the steady-state pump regime and it enhances the temporal decrease of the freely evolving magnon condensate after the termination of the pumping pulse, but it does not alter the relaxation dynamics of the gaseous magnon phase. This phenomenon is understood as the appearance of a magnon supercurrent within the condensate due to a temperature-gradient induced phase gradient in the condensate. Bose-Einstein condensation [1] can be achieved either by decreasing the temperature of a boson gas [2] or by increasing its density. The latter method is especially applicable to g ases of weakly interacting quasi-particles such as excitons [3] , polaritons [4, 5], photons [6], and magnons [7, 8]. When a spin system is pumped, and when the injected magnons thermalize through scattering processes conserving both their number and the total energy, a Bose-Einstein condensate (BEC) may be formed at the lowest energy state of the energy-momentum spectrum even at room temperature conditions of the magnetic film carrying the magnons [8, 9]. As the condensed magnon phase is localized in the global energy minimum, its group velocity is exactly zero and no energy transport can be associated with the magnon BEC. The situation can change, when a magnon supercurrent driven by a gradient in the phase of the wavefunction of a magnon condensate can be excited. Such a phase gradient can be induced by, e.g., a potential gradient or a temperature gradient. However, the dynamics of magnon condensates in such a gradient is still terra incognita. Here we provide experimental insight into the evolution of a magnon BEC in a thermal gradient generated by local laser heating. We show that such a heating influences both the steady-state characteristics and the transitional behavior of the magno n BEC, which can be understood using the concept of a magnon supercurrent. We study the temporal evolution of a magnon BEC in a single-crystal yttrium iron garnet (YIG, Y3Fe5O12) film by

研究の動機と目的

• 室温におけるYIG膜中の磁振子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の動的挙動に及ぼす熱勾配の影響を調査すること。
• 熱勾配が磁振子BEC波動関数に位相勾配を誘発し、スーパーコンダクションを生じるかどうかを特定すること。
• 局所的レーザー加熱が磁振子BECの定常状態特性および一時的進化に与える影響を検討すること。
• 温度勾配に起因する位相勾配によって駆動される磁振子スーパーコンダクションの実験的証明を確立すること。

提案手法

• パラメトリック励起を用いてYIG膜中に磁振子ガスを生成し、熱平衡を形成してボーズ＝アインシュタイン凝縮を誘発すること。
• 磁振子BECの中心部に局所的レーザー加熱を施して熱勾配を生成すること。
• 時間分解ブリューヌ光散乱（BLS）分光法を用いて磁振子BECの空間的・時間的進化をモニタリングすること。
• 定常状態ポンピング下およびポンピング終了後の凝縮状態密度および緩和ダイナミクスの変化を分析すること。
• 観測された位相勾配およびスーパーコンダクション効果を解釈するため、グロス＝ピタエフスキー方程式の枠組みを用いること。
• 熱的摂動下におけるBECおよび気体相磁振子の緩和ダイナミクスを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱勾配は磁振子ボーズ＝アインシュタイン凝縮に位相勾配を誘起できるか？
• RQ2 局所的レーザー加熱は磁振子BECの定常状態密度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 熱勾配は自由に進化する磁振子BECの一時的緩和ダイナミクスを変化させるか？
• RQ4 観測された挙動は、温度に起因する位相勾配によって誘起される磁振子スーパーコンダクションの出現と整合的か？
• RQ5 なぜ気体相磁振子の緩和ダイナミクスは局所的加熱に対して変化しないのに対し、BECのダイナミクスは変化するのか？

主な発見

• 磁振子BECの中心部における局所的レーザー加熱は、熱勾配に起因する磁振子の再分配を示唆する、定常状態密度の低下を引き起こす。
• ポンピングを終了した後、加熱によって自由に進化する磁振子BECの緩和率が増加し、スーパーコンダクションのダイナミクスに起因する緩和の増強を示している。
• 局所的加熱下でも気体相磁振子の緩和ダイナミクスは変化せず、その効果が凝縮相に特異的であることを示している。
• BEC挙動の観察された変化は、熱勾配によって誘起された位相勾配に起因し、その結果として磁振子スーパーコンダクションが駆動されているとされる。
• エネルギーの純輸送なしにスーパーコンダクションが観測されており、凝縮状態が全エネルギー最小点に局在していることと整合的である。
• 結果として、熱勾配が磁振子BEC波動関数に位相勾配を生成でき、室温における磁振子系でスーパーコンダクションが実現可能であることが確認された。