[論文レビュー] Strong coupling between magnons in a chiral magnetic insulator Cu$_2$OSeO$_3$ and microwave cavity photons

L. V. Abdurakhimov, Safe Khan+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Multiferroics and related materials被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、5–100 Kの温度範囲でキラルな磁性絶縁体Cu₂OSeO₃内のフェリ磁性モードと2つのマイクロ波キャビティモードとの間で強い結合を実証し、コoperative度が3600に達した。結合強度は、ネット磁化の平方根に比例し、これによりキャビティ共鳴周波数のずれから材料の磁気相図が再構成可能となった。

ABSTRACT

Anticrossing behavior between magnons in a multiferroic chiral magnet Cu$_2$OSeO$_3$ and a two-mode dielectric resonator cavity was studied in the temperature range 5 - 100 K. We observed a strong coupling regime between ferrimagnetic magnons and two microwave cavity modes with a cooperativity reaching 3600. We measure a coupling strength which scales as the square root of the net magnetization, $g \propto \sqrt{M(T)}$, and demonstrate that the magnetic phase diagram of Cu$_2$OSeO$_3$ can be reconstructed from the measurements of the resonance frequency of a dispersively-coupled cavity mode. An additional avoided crossing between a helimagnon and a cavity mode was observed at low temperatures. Our results reveal a new class of magnetic systems where strong coupling of microwave photons to non-trivial spin textures can be observed.

研究の動機と目的

• キラルな磁性絶縁体であるCu₂OSeO₃内のモードとマイクロ波キャビティ光子との間で強い結合を調査すること。
• Cu₂OSeO₃における結合強度が温度およびネット磁化にどのように依存するかを調査すること。
• Cu₂OSeO₃の磁気相図がキャビティ共鳴周波数のずれから再構成可能であることを実証すること。
• フェリ磁性モードおよびヘリマグネティックモードの両方と、キャビティモードとの間で明確な回避クロスイングを観測・特徴づけること。

提案手法

• 5 K～100 Kの温度範囲で、Cu₂OSeO₃内のモードと結合する2モードの誘電体共鳴器キャビティを用いた。
• モード励起に応じたキャビティモードの共鳴周波数のずれを測定し、分散的結合を示した。
• キャビティモードとモードモードの間の反対クロスイング行動を解析して、結合強度およびコoperative度を抽出した。
• 結合強度がネット磁化の平方根に比例するという観察結果（g ∝ √M(T)）を用い、磁気秩序パラメータを推定した。
• 温度依存分光測定を実施し、異なる磁気相間の遷移を同定した。
• 低温域でヘリマグネティックモードとキャビティモードとの間にも追加の回避クロスイングを観測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラルな磁性絶縁体であるCu₂OSeO₃において、マイクロ波キャビティ光子とモードとの間で強い結合を達成できるか？
• RQ2 この系において、結合強度は温度およびネット磁化にどのように依存するか？
• RQ3 Cu₂OSeO₃の磁気相図は、キャビティ共鳴周波数のずれから再構成可能か？
• RQ4 フェリ磁性モードおよびヘリマグネティックモードといった異なる種類のモードモードと、キャビティモードとの間に明確な回避クロスイングが観測されるか？

主な発見

• フェリ磁性モードと2つのマイクロ波キャビティモードとの間で強い結合が達成され、コoperative度は3600に達した。
• 結合強度はネット磁化の平方根に比例する（g ∝ √M(T)）ことから、磁気秩序と明確な関連があることが示された。
• Cu₂OSeO₃の磁気相図が、温度依存のキャビティ共鳴周波数測定から成功裏に再構成された。
• 低温（約50 K未満）で、ヘリマグネティックモードとキャビティモードとの間にも追加の回避クロスイングが観測された。
• 温度依存の磁気秩序に起因する磁気モード-光子相互作用のチューニング可能性が示され、スピン-光子結合の動的制御が可能となった。
• 本研究の結果により、非自明なスピン構造を持つ強い光物質相互作用の研究に向けた新たなプラットフォームとして、Cu₂OSeO₃の有効性が確立された。