[論文レビュー] Observation of Spin-Wave Moiré Edge and Cavity Modes in Twisted Magnetic Lattices

Hanchen Wang, M. Madami+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、イットリウム鉄ガーネット（YIG）薄膜に形成された2つのアンチドット格子からなるねじれ磁性格子において、トポロジカルなスピン波モアレ端モードおよびキャビティモードの実験的実証がなされた。マイクロフォーカス型ブリルアン光散乱（µ-BLS）を用いて、6°のねじれ角および50 mTの磁場条件下でキラルな端モードが観測され、磁気的双極子相互作用と非自明なベリー曲率に起因する磁気フォノン帯ギャップ内でのモードの出現がマイクロ磁気シミュレーションにより確認された。これは、モアレ系におけるトポロジカルな磁気フォノン端状態の初の実験的実現である。

ABSTRACT

We report the experimental observation of the spin-wave moiré edge and cavity modes using Brillouin light scattering spectro-microscopy in a nanostructured magnetic moiré lattice consisting of two twisted triangle antidot lattices based on an yttrium iron garnet thin film. Spin-wave moiré edge modes are detected at an optimal twist angle and with a selective excitation frequency. At a given twist angle, the magnetic field acts as an additional degree of freedom for tuning the chiral behavior of the magnon edge modes. Micromagnetic simulations indicate that the edge modes emerge within the original magnonic band gap and at the intersection between a mini-flatband and a propagation magnon branch. Our theoretical estimate for the Berry curvature of the magnon-magnon coupling suggests a non-trivial topology for the chiral edge modes and confirms the key role played by the dipolar interaction. Our findings shed light on the topological nature of the magnon edge mode for emergent moiré magnonics.

研究の動機と目的

• YIG薄膜内の2つのアンチドット格子をねじることで形成されるモアレ磁気フォノン格子において、トポロジカルなスピン波端モードを実験的に実証すること。
• ねじれ角および外部磁場が磁気フォノン端モードのキラル性に与える影響を調査すること。
• マイクロ磁気シミュレーションおよびベリー曲率の理論的分析を通じて、観測された端モードのトポロジカル起源を確認すること。

提案手法

• Gd3Ga5O12（GGG）基板上に形成されたYIG薄膜内に、6°のねじれ角を有する2つの三角格子型アンチドットサブグリッドを用いて、ねじれ磁性モアレ格子をフォトリソグラフィーで作製した。
• マイクロフォーカス型ブリルアン光散乱（µ-BLS）を用い、1µm未満の空間分解能でスピン波モードを空間的に解像し可視化した。
• ナノストリップラインアンテナを用いて、アンテナに垂直な波数を有するスピン波を励起し、端モードおよびキャビティモードを選択的に励起した。
• アンテナ方向に外部磁場を印加することで、磁気フォノンバンド構造を調整し、キラルな端モードの挙動を制御した。
• マイクロ磁気シミュレーションを実施し、スピン波の伝播、端モードの形成、およびモアレスーパーラティス内での双極子場分布をモデル化した。
• 磁気フォノンバンド構造およびベリー曲率の理論的分析により、非自明なトポロジーの確認と、双極子相互作用が端モード形成に果たす役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG内に形成された2つのアンチドット格子をねじることで得られるモアレ磁気フォノン格子において、トポロジカルなスピン波端モードを実験的に観測できるか？
• RQ2 ねじれ角および外部磁場は、磁気フォノン端モードの形成およびキラル性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観測された端モードの起源は何か。具体的には、ミニフラットバンドと帯ギャップ内での伝搬するフォノン分岐が関与しているか？
• RQ4 双極子相互作用および非自明なベリー曲率は、端モードのトポロジカル保護にどの程度寄与しているか？
• RQ5 モアレユニットセル内にキャビティモードを観測できるか。空間的局在性および励起周波数において、端モードとはどのように異なるか？

主な発見

• 最も強いトポロジカルなスピン波端モードは、6°のねじれ角および50 mTの磁場条件下で観測され、周波数は3.1 GHzであった。
• 端モードはモアレユニットセルの境界に局在しており、方向性BLS強度マップおよびラインプロファイルによりキラルな伝播が確認された。
• キャビティモードはモアレユニットセルの中心に強く局在化しており、周波数は2.9 GHzであり、µ-BLS強度マップ上では高強度のスポットとして観測された。
• マイクロ磁気シミュレーションにより、端モードがミニフラットバンドと伝搬するフォノン分岐の交差部で、元の磁気フォノン帯ギャップ内に出現することが示された。
• 理論的分析により、フォノン-フォノンカップリングに対して非自明なベリー曲率が存在することが判明し、端モードのトポロジカル性が裏付けられた。
• 双極子相互作用が、モアレ磁気フォノン格子内でのトポロジカル保護された端状態の形成を可能にする主要因であると特定された。