[論文レビュー] Spintronics and Magnon Bose-Einstein Condensation

R. A. Duine, Arne Brataas+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、スピントロニクス的界面を介して通常金属からスピン電流を注入することにより、磁性絶縁体における電気的制御可能な準平衡状態のマグノンボーズアインシュタイン凝縮を提案し、スピンスーパーフルイドの直接的DCポンピングおよびプローブを可能にする。主な結果は、スーパーフルイド相におけるスピン電流の代数的減衰の予測であり、これは通常状態の指数的減衰とは異なったスピンスーパーフルイド性を示唆する。

ABSTRACT

Spintronics is the science and technology of electric control over spin currents in solid-state-based devices. Recent advances have demonstrated a coupling between electronic spin currents in non-magnetic metals and magnons in magnetic insulators. The coupling is due to spin transfer and spin pumping at interfaces between the normal metals and magnetic insulators. In this Chapter, we review these developments and the prospects they raise for electric control of quasi-equilibrium magnon Bose-Einstein condensates and spin superfluidity.

研究の動機と目的

• 準平衡状態のマグノンボーズアインシュタイン凝縮と固体状態スピントロニクスの統合を探索し、電気的制御および検出を実現すること。
• 通常金属と磁性絶縁体の界面におけるスピン電流が、マグノン凝縮を誘発および維持する仕組みを調査すること。
• DC電流駆動下のマグノン系におけるスピンスーパーフルイド性の実験的兆候を特定すること。
• DCポンピングされたマグノンガスの相図を分析し、減衰および異方性がスーパーフルイド流れの安定化に果たす役割を解明すること。
• 磁性絶縁体におけるスピンスーパーフルイド輸送の今後の実験に向けた理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• スピンホール効果により金属リザーバーにスピン蓄積をもたらす、通常金属／磁性絶縁体ヘテロ構造のモデル化。
• 界面スピン転送およびスピンポンピングを用いて、磁性絶縁体へのスピン電流注入を実現し、マグノンのDCポンピングを可能にする。
• 交換相互作用、ゼーマン項、異方性、凝縮項を含む長波長有効ハミルトニアンを用いてマグノン系を記述する。
• ジョゼフソンに類似た関係を用いて磁性絶縁体内のスピン電流を導出し、界面混合コンダクタンスおよびギルバート減衰を考慮する。
• 位相ピン留めをモデル化するための異方性項（例：$-K_x \sum \hat{S}_{i,x}^2/2\hbar^2$）を導入し、スーパーフルイド流れの臨界電流を決定する。
• 電流を運ぶ状態とドメイン壁形成のエネルギーバランスを分析し、スピンスーパーフルイド性の下限および上限臨界電流を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピントロニクス的界面を介したDC電流注入によって、磁性絶縁体内に準平衡状態のマグノンボーズアインシュタイン凝縮を誘発および維持できるか？
• RQ2 マグノンスーパーフルイド状態におけるスピン電流の減衰様式はどのように変化するか？通常状態の減衰とはどのように異なるか？
• RQ3 マグノン凝縮体におけるスピンスーパーフルイド性の発現および崩壊の臨界電流閾値は何か？
• RQ4 磁性異方性は、マグノン凝縮体の安定性および位相コherー二アンスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 固体状態DC輸送系において、スピンスーパーフルイド性を検出するための実験的兆候は何か？

主な発見

• 金属内でのスピンホール効果によるスピン電流注入が、磁性絶縁体内の準平衡ボーズアインシュタイン凝縮へのマグノンの電気的ポンピングを可能にする。
• スーパーフルイド相におけるスピン電流は、長さに応じて代数的減衰を示すが、通常状態では指数的減衰を示すのと対照的であり、スピンスーパーフルイド性を示唆する。
• スピンスーパーフルイド流れの下限臨界電流は、$j_{c,low} = 2n_0 \sqrt{J_s S K_x}/\hbar$ で与えられ、交換エネルギーと面内異方性の競合に起因する。
• 上限臨界電流は、凝縮体が渦誘起位相スリップに向かって不安定化する際に生じ、スーパーフルイド電流の上限を制限する。
• ギルバート減衰がない場合（$\alpha = 0$）、スピン電流は界面コンダクタンスによってのみ制限され、理想的なスーパーフルイド輸送を示す。
• 金属リザーバーにおける逆スピンホール電圧は、スピン電流の測定可能な信号を提供し、実験的スピンスーパーフルイド性検出を可能にする。