[논문 리뷰] Josephson oscillations in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate

Alexander J. E. Kreil, Anna Pomyalov외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 인접한 자성 터널 근처의 비례 진동에 의해 실현된 페로자성 필름 내에서 실온에서의 보스-아인슈타인 응축 상태인 면진자의 ac 조세프슨 효과를 증명한다. 이 효과는 응축 상태 간의 위상 차이로 인해 발생하는 면진자 응축 밀도의 비편향 진동으로 나타나며, 실온에서 거시적 양자 시스템에서 조세프슨 진동을 처음으로 관측한 것으로, 면진자 스피노트닉스를 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

The alternating current (ac) Josephson effect in a time-independent spatially-inhomogeneous setting is manifested by the occurrence of Josephson oscillations - periodic macroscopic phase-induced collective motions of the quantum condensate. So far, this phenomenon was observed at cryogenic temperatures in superconductors, in superfluid helium, and in Bose-Einstein condensates (BECs) of trapped atoms. Here, we report on the discovery of the ac Josephson effect in a magnon BEC carried by a room-temperature ferrimagnetic film. The BEC is formed in a parametrically populated magnon gas in the spatial vicinity of a magnetic trench created by a dc electric current. The appearance of the Josephson effect is manifested by oscillations of the magnon BEC density in the trench, caused by a coherent phase shift between this BEC and the BEC in the nearby regions. Our findings advance the physics of room-temperature macroscopic quantum phenomena and will allow for their application for data processing in magnon spintronics devices.

연구 동기 및 목표

• 실온에서의 면진자 보스-아인슈타인 응축 상태에서 거시적 양자 혼합성을 입증하기 위해.
• 냉각이 필요 없는 고체계에서 ac 조세프슨 효과를 관측하기 위해.
• 실온 조건에서 면진자 시스템의 양자 현상을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.
• 공명 위상 제어 동역학을 통해 면진자 스피노트닉스의 잠재적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 직류 전류가 페로자성 필름에 자성 터널을 생성하여 면진자에 대한 공간적으로 비균일한 포텐셜을 형성한다.
• 비례 진동을 적용하여 터널 근처에 면진자 기체를 인플레이션시켜 보스-아인슈타인 응축 상태를 형성한다.
• 시스템은 터널 내와 그 인근 영역에 있는 두 개의 결합된 면진자 응축 상태를 지원하며, 위상 차이를 조절할 수 있다.
• 터널 내 면진자 응축 밀도의 시간에 따른 측정을 통해 공명 조세프슨 진동을 검출한다.
• 응축 상태 간의 위상 차이가 밀도의 주기적 진동을 유도하며, 이는 ac 조세프슨 효과의 확인을 보여준다.
• 결합된 면진자 응축 상태의 동역학을 기술하기 위해 고르스-피타예프스크이 방정식에 기반한 이론적 모델링을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 면진자 보스-아인슈타인 응축 상태에서 ac 조세프슨 효과를 관측할 수 있는가?
• RQ2 자기 포텐셜의 공간적 비균일성이 조세프슨 진동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 두 면진자 응축 상태 간의 위상 차이는 그들의 집단적 동역학에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 냉각이 없이 면진자 응축 상태가 얼마나 오랫동안 공명 양자 진동을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 효과는 면진자 기반 양자 장치의 개발에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 실온에서 면진자 보스-아인슈타인 응축 상태에서 ac 조세프슨 효과가 실험적으로 관측되어 고체계에서 거시적 양자 혼합성이 확인되었다.
• 터널 내 응축 상태와 주변 영역 간의 공명 위상 차이와 직접적으로 연결된 면진자 응축 밀도의 주기적 진동이 관측되었다.
• 진동 주파수는 적용된 위상 차이에 비례하며, 조세프슨 관계와 일치한다.
• 시스템은 안정적이고 장수하는 공명 동역학을 보이며, 실온 조건에서 열적 및 분해조직 효과에 대해 강건함을 나타낸다.
• 실온에서의 면진자 응축 상태가 일반적으로 초저온 원자 시스템에서만 관찰되는 공명 양자 현상을 지속할 수 있음을 입증한다.
• 결과적으로 이는 공명 양자 제어 기반의 확장 가능한 면진자 스피노트닉스 장치 개발로 이어질 수 있는 길을 열어준다.