[論文レビュー] Spin-Superfluidity and Spin-Current Mediated Non-Local Transport

Hua Chen, A. H. MacDonald|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、容易面磁性体がマヨナー Bose-Einstein 凝縮を介してエネルギー損失のないスピン電流を発生させることを提案し、電荷の流れを伴わない非局所的スピン輸送を可能にする。Landau-Lifshitz 動力学および有効場理論を用いて、スピン蓄積および位相的安定性によって駆動されるジョセフソン型のスピン電流行動と非局所的 I-V 特性を示し、超伝導ジョセフソン接合と類似しているが、スピン蓄積と位相的安定性によって駆動される。

ABSTRACT

Some strategies for reducing energy consumption in information processing devices involve the use of spin rather than charge to carry information. This idea is especially attractive when the spin current is a collective one carried by the condensate of a magnetically ordered state, rather than a quasiparticle current carried by electrons or magnons. In this Chapter we explain how easy-plane magnets can be viewed as Bose-Einstein condensates of magnons, defined in terms of quanta of the spin-component perpendicular to the easy plane, and how they can carry dissipationless spin-currents that induce non-local interactions between electrically isolated conducting channels. We comment specifically on important differences between superconductivity in normal/superconducting/normal circuits and spin-superfluidity in normal/magnetic/normal circuits.

研究の動機と目的

• 容易面磁性系におけるスピンスーパーフルイド性の理論的枠組みを確立し、エネルギー損失のないスピン電流輸送のメカニズムを提供すること。
• 磁性系におけるスピンスーパーフルイド性と SNS 接合における超伝導性との類似性を明らかにし、主な類似点と相違点を強調すること。
• スピン電流が共通の磁性凝縮体を介して非局所的に結合され、電荷の流れを伴わずに遠隔的な電気的制御が可能になる仕組みを分析すること。
• 弱い面内異方性、磁気双極子相互作用、および減衰がスピンスーパーフルイド行動の安定性や破壊に与える影響を検討すること。
• 反強磁性材料が、より高速で安定なスピンスーパーフルイドデバイスの代替として有効である可能性を検討すること。

提案手法

• 容易面異方性および磁性剛性を含む Ginzburg-Landau 自由エネルギー汎関数を用いて磁性系をモデル化する。
• 磁化秩序パラメータの動的記述に Landau-Lifshitz 方程式を適用し、これをマクロな量子場とみなす。
• 基底状態のまわりで方程式を線形化し、磁化の位相および面外成分の有効な動的記述を導出する。
• スピン電流が位相勾配に比例することを導出し、超伝導体におけるスーパーコンダクター電流と類似する。
• マクロスピン近似を用いて、適用電圧とスピン蓄積および位相動力学との関係を、修正されたジョセフソン型方程式で記述する。
• スピン注入を磁性チャネルの両端で行い、その結果生じるスピン電流の相殺を考慮することで、非局所的輸送を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 容易面磁性体は、どのように超伝導体におけるスーパーコンダクター電流に類似したエネルギー損失のないスピン電流を支えることができるか？
• RQ2 マヨナー Bose-Einstein 凝縮は、磁性系におけるスピンスーパーフルイド性を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 共有されるスピンスーパーフルイド秩序によって、N-磁性体-N 接合における非局所的 I-V 特性はどのように生じるか？
• RQ4 スピンスーパーフルイドの輸送特性は、従来の超伝導体とどのような点で異なるか？
• RQ5 弱い面内異方性および磁気双極子相互作用は、スピンスーパーフルイド状態の安定性および観測可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• マヨナー凝縮を介してエネルギー損失のないスピン電流が支持され、スピン電流はスピン位相の空間勾配に比例する。
• マヨナーの有効化学ポテンシャルは ℏḋϕ で与えられ、接合におけるスピン注入および均衡を支配する。
• 磁性チャネルの両端における位相差がスピン電流を決定するジョセフソン型関係が導出され、超伝導接合と類似している。
• 電気的に分離された2つのリードが1つの磁性凝縮体を介して結合されることで非局所的輸送が可能となり、電荷輸送を伴わずにスピン電流が流れることを実現する。
• 臨界スピン電流は磁化の動的不安定性の発生によって制限されるが、両端でのスピン注入の相殺によって抑制可能である。
• 反強磁性の容易面系は、より高速な動的挙動および磁気双極子不安定性の不在により、強磁性体よりも優れた利点を示すと予測される。