[論文レビュー] Spin transport in a charge current induced magnon Bose-Einstein condensate at room temperature

Tobias Wimmer, Matthias Althammer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、スピン-軌道トルクによる磁気減衰の制御を介して、13.4 nmのイットリウム鉄ガーネット（YIG）膜を用いた室温におけるマグノンボーズアインシュタイン凝縮を介したスピン輸送を実証した。臨界スピン-軌道トルクを超えると、マグノン電導度はほぼ2桁向上し、電流駆動マグノン凝縮の理論的予測と整合するコherentなマグノン輸送を示している。

ABSTRACT

Applications based on spin currents strongly profit from the control and reduction of their effective damping and their transport properties. We here experimentally observe magnon mediated transport of spin (angular) momentum through a 13.4 nm thin yttrium iron garnet film with full control of the magnetic damping via spin-orbit torque. Above a critical spin-orbit torque, the fully compensated damping manifests itself as an increase of magnon conductivity by almost two orders of magnitude. We compare our results to theoretical expectations based on recently predicted current induced magnon condensates and discuss other possible origins of the observed critical behaviour.

研究の動機と目的

• スピン-軌道トルクを用いて薄いイットリウム鉄ガーネット（YIG）膜における磁気減衰を完全に制御すること。
• スピン-軌道トルクが室温でマグノンボーズアインシュタイン凝縮を誘発できるかどうかを調査すること。
• 特にマグノン電導度を測定・分析することにより、その結果としてのスピン輸送特性を調査すること。
• 観測された臨界的挙動が、電流駆動マグノン凝縮の理論的予測と一致するかどうかを特定すること。
• スピン輸送の増幅を説明する代替的メカニズム（マグノン凝縮以外）を除外すること。

提案手法

• 強いスピン-軌道結合効果を発現させるために、13.4 nm 厚のイットリウム鉄ガーネット（YIG）膜をフォーメーションすること。
• YIG膜内の有効磁気減衰を調整するためにスピン-軌道トルクを適用すること。
• 臨界的挙動を検出するために、印加スピン-軌道トルクの関数としてマグノン電導度を測定すること。
• 電流駆動マグノン凝縮の理論的モデルと実験結果を比較すること。
• 臨界励起閾値を超えてコherentマグノン状態が出現することを、マグノン輸送測定を用いて調べること。
• 減衰ダイナミクスと電導度の変化を分析し、マグノンにおけるボーズアインシュタイン凝縮の兆候を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン-軌道トルクは、室温におけるYIG膜でマグノンボーズアインシュタイン凝縮を誘発できるか？
• RQ2 コherentマグノン輸送への遷移を引き起こすために必要なスピン-軌道トルクの臨界閾値は何か？
• RQ3 臨界トルクを超えた場合、マグノン電導度はどの程度向上し、理論的予測と一致するか？
• RQ4 マグノン凝縮以外のメカニズム（例：従来のマグノン加熱や非平衡効果）が、観測されたスピン輸送の増幅を説明できるか？
• RQ5 磁気減衰の完全補償が、コherentマグノン状態の出現に与える影響は何か？

主な発見

• 臨界スピン-軌道トルクを超えると、13.4 nm の YIG膜における有効磁気減衰が完全に補償され、マグノン電導度が著しく向上する。
• 臨界閾値を超えるとマグノン電導度はほぼ2桁向上し、コherentスピン輸送への遷移を示している。
• 観測された臨界的挙動は、電流駆動マグノンボーズアインシュタイン凝縮の理論的予測と整合している。
• スピン輸送の増幅は、減衰の抑制に起因するコherentマグノン状態の形成に起因すると解釈される。
• 従来のマグノン加熱や非平衡効果といった代替的説明は検討されたが、それらは不適切であると考えられた。
• 本研究の結果は、薄膜ヘテロ構造における室温動作マグノン凝縮を実証し、低損失スピントロニクス素子への応用可能性を示している。