[논문 리뷰] Laser induced enhanced coupling between photons and squeezed magnons in antiferromagnets

J. C. G. Henriques, T. V. C. Antão외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 50인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 나선형 편광 레이저 장이 허브슨 반자성체에서 광자와 압축된 스핀파 간의 결합을 강화시킨다고 제안한다. 이는 교환 상호작용을 재정규화하고, 합성 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 유도하기 때문이다. 레이저 조절을 통해 광자-스핀파 결합 강도가 최대 한 계급 증가하며, 이는 비상호성 있는 스핀파 운반을 가능하게 하고, 캐비티 전송 스펙트럼을 통해 스핀파 분산을 맵핑할 수 있게 한다.

ABSTRACT

In this paper we consider a honeycomb antiferromagnet subject to an external laser field. Obtaining a time-independent effective Hamiltonian, we find that the external laser renormalizes the exchange interaction between the in-plane components of the spin-operators, and induces a synthetic Dzyaloshinskii-Moria interaction (DMI) between second neighbors. The former allows the control of the magnon dispersion's bandwidth and the latter breaks time-reversal symmetry inducing non-reciprocity in momentum space. The eigen-excitations of the system correspond to squeezed magnons whose squeezing parameters depend on the properties of the laser. When studying how these spin excitations couple with cavity photons, we obtain a coupling strength which can be enhanced by an order of magnitude via careful tuning of the laser's intensity, when compared to the case where the laser is absent. The transmission plots through the cavity are presented, allowing the mapping of the magnons' dispersion relation.

연구 동기 및 목표

• 나선형 편광 레이저가 허브슨 반자성체에서 스핀파 진동수에 미치는 영향을 탐구한다.
• 레이저 유도 합성 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 시간 역전 대칭성을 어떻게 깨뜨리고 비상호성 있는 스핀파 운반을 가능하게 하는지 조사한다.
• 레이저 제어를 통해 캐비티 광자와 압축된 스핀파 간의 결합을 최대 한 계급 증가시킬 수 있음을 입증한다.
• 캐비티 전송 스펙트럼을 통해 스핀파 분산을 실험적으로 맵핑할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 레이저 구동 반자성체 시스템을 기술하기 위해 플로케트 형식을 사용해 시간에 의존하지 않는 효과적 해밀토니안을 유도한다.
• 효과적 해밀토니안을 대각화하기 위해 보골리우보 변환을 적용하고, 고유 진동수를 압축된 스핀파로 식별한다.
• 캐비티 모드를 도입하여 스핀파 모드와 결합시켜 하이브리드 스핀파-광자 시스템을 모델링한다.
• 레이저 강도와 편광도에 따라 스핀파-광자 결합 강도를 계산한다.
• 레이저 제어 하에서 스핀파 분산 관계를 맵핑하기 위해 캐비티 전송 스펙트럼을 시뮬레이션한다.
• 시간 역전 대칭성을 깨뜨리고 운동량 공간에서의 비상호성을 유도하기 위해 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용 항을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선형 편광 레이저 장은 허브슨 반자성체에서 교환 상호작용을 어떻게 수정하고 합성 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 유도하는가?
• RQ2 레이저 장은 스핀파 분산의 대역폭을 조절하고 비상호성 있는 스핀파 전파를 유도할 수 있는가?
• RQ3 레이저는 캐비티 광자와 압축된 스핀파 간의 결합을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 캐비티 전송 스펙트럼은 레이저 조사 하에서 수정된 스핀파 분산을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 레이저 장은 면내 스핀 교환 상호작용을 재정규화하여 스핀파 분산의 대역폭을 효과적으로 조절한다.
• 두 번째 이웃 원자 간에 합성 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 유도되어 시간 역전 대칭성이 깨지고 비상호성 있는 스핀파 운반을 가능하게 한다.
• 스핀파 고유 진동수는 레이저 강도와 편광도에 따라 달라지는 압축 파arameter를 갖는 압축 상태이다.
• 최적의 레이저 조절을 통해 비조사 상태에 비해 스핀파-광자 결합 강도가 최대 한 계급 증가한다.
• 캐비티 전송 스펙트럼은 레이저 유도 DMI와 대역 조절의 영향을 포함하여 수정된 스핀파 분산을 명확히 맵핑한다.
• 이 시스템은 반자성 질서에 의해 안정화되고 레이저 장으로 추가 제어가 가능한 강건한 평형 상태 압축 스핀파를 지닌다.