[논문 리뷰] Coherent strong-coupling of terahertz magnons and phonons in a Van der Waals antiferromagnetic insulator

Q. Zhang, Mykhaylo Ozerov외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 37인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 제임스 자이먼 조정을 이용한 원거리 적외선 투과 스펙트로스코피를 통해 반데르발스 반자성绝縁체 FePS3에서 테라헤르츠 영역의 면역모드와 격자모드 사이의 간섭적 강결합을 직접 관측하였다. 거대한 결합 강도 120 GHz (0.5 meV)가 관측되었으며, 이는 4.5%의 g/ω 비율과 29의 협업도를 유도하였고, 제1원리 계산에 따르면 이는 스핀-오비탈 결합에 의해 유도된 격자 변형에 의한 자화이성도 조절에 기인한다.

ABSTRACT

Emergent cooperative motions of individual degrees of freedom, i.e. collective excitations, govern the low-energy response of system ground states under external stimulations and play essential roles for understanding many-body phenomena in low-dimensional materials. The hybridization of distinct collective modes provides a route towards coherent manipulation of coupled degrees of freedom and quantum phases. In magnets, strong coupling between collective spin and lattice excitations, i.e., magnons and phonons, can lead to coherent quasi-particle magnon polarons. Here, we report the direct observation of a series of terahertz magnon polarons in a layered zigzag antiferromagnet FePS3 via far-infrared (FIR) transmission measurements. The characteristic avoided-crossing behavior is clearly seen as the magnon-phonon detuning is continuously changed via Zeeman shift of the magnon mode. The coupling strength g is giant, achieving 120 GHz (0.5 meV), the largest value reported so far. Such a strong coupling leads to a large ratio of g to the resonance frequency (g/ω) of 4.5%, and a value of 29 in cooperativity (g^2/γ_{ph}γ_{mag}). Experimental results are well reproduced by first-principle calculations, where the strong coupling is identified to arise from phonon-modulated anisotropic magnetic interactions due to spin-orbit coupling. These findings establish FePS3 as an ideal testbed for exploring hybridization-induced topological magnonics in two dimensions and the coherent control of spin and lattice degrees of freedom in the terahertz regime.

연구 동기 및 목표

• 2차원 반데르발스 반자성绝縁체에서 집단적 스핀(면역모드)과 격자(격자모드) 진동 상태 간의 간섭적 결합을 조사하기 위해.
• 저차원 양자물질에서 강결합을 통해 하이브리드화된 준입자인 테라헤르츠 면역모드 폴라론의 존재를 탐색하기 위해.
• 강결합의 미세한 기원을 제1원리 계산을 통해 규명하기 위해.
• FePS3를 위상적 면역모드학 및 스핀과 격자 자유도의 간섭적 테라헤르츠 제어 플랫폼으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 면역모드와 격자모드를 탐지하기 위해 기계적 분리된 FePS3 플레이크에서 원거리 적외선(FIR) 투과 측정을 수행하였다.
• 외부 자기장에 의한 제임스 스플릿팅을 적용하여 면역모드 에너지를 연속적으로 조절하고 피하기 수준의 교차를 유도하였다.
• 면역모드와 격자모드 간의 강결합을 나타내는 피하기 수준의 교차 행동을 실험 데이터에서 분석하였다.
• 전자 구조와 스핀-격자 결합을 모델링하기 위해 제1원리 계산을 사용하였으며, 스핀-오비탈 결합이 격자 변형에 의해 유도된 자화이성도 조절의 기원임을 규명하였다.
• 실험 스펙트럼에 대한 피팅을 통해 결합 강도 g, 공진 주파수 ω, 감쇠율 γ를 추출하고 이론 예측과 비교하였다.
• 협업도(g²/(γ_ph γ_mag))와 정규화된 결합 강도(g/ω)를 계산하여 결합의 강도와 간섭성의 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 반데르발스 반자성绝縁체에서 테라헤르츠 영역의 면역모드와 격자모드 간의 간섭적 강결합을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 FePS3에서 면역모드와 격자모드 간의 결합 강도의 크기와 성격은 무엇이며, 다른 시스템과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 강결합의 미세한 기원은 무엇이며, 스핀-오비탈 결합은 스핀과 격자 자유도 간의 상호작용을 어떻게 매개하는가?
• RQ4 관측된 결합은 제1원리 계산으로 어느 정도 기술될 수 있으며, 이는 양자물질 설계에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 이 시스템은 위상적 면역모드학 및 스핀과 격자 진동 상태의 간섭적 테라헤르츠 제어 플랫폼으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 제임스 이완에 의해 조절된 면역모드 에너지 변화에 따라 원거리 적외선 투과 스펙트럼에서 명확한 피하기 수준의 교차 특징이 관측되어 면역모드와 격자모드 간의 간섭적 강결합을 확인하였다.
• 결합 강도 g는 120 GHz(0.5 meV)에 도달하였으며, 이는 현재까지 보고된 바에서 가장 큰 값으로, 높은 광물질 상호작용 강도를 나타낸다.
• 정규화된 결합 강도 g/ω는 4.5%로, 일반적인 캐비티 양자전기역학 시스템의 값보다 크게 초월하였다.
• 협업도 파라미터는 29에 도달하여 강한 간섭적 결합과 집단 모드의 양자 제어 잠재성을 시사하였다.
• 제1원리 계산은 강결합이 스핀-오비탈 결합에 의해 유도된 격자 변형에 의한 자화이성도 조절에 기인함을 확인하였다.
• 결과적으로, 이 연구는 FePS3가 하이브리드화 유도 위상적 면역모드학 및 스핀과 격자 자유도의 간섭적 테라헤르츠 제어를 탐색하기 위한 유망한 플랫폼으로서의 위치를 확립하였다.