[論文レビュー] Cherenkov radiation of spin waves by ultra-fast moving magnetic flux quanta

Oleksandr V. Dobrovolskiy, Q. Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、隣接するNb-C超伝導ストリップを通過する1 km/sを超える速度で移動する超高速磁束量子（アブリコソフ・ストリング）によって駆動されるCo-Feマグノニクスコンduit内で、スピン波（マグノン）のチェレンコフ放射を実験的に示した。放射は、コンduit内を2 µm伝わるスピン波のブロードバンドマイクロ波検出により確認され、電圧-電流曲線上に現れるマグノンシャピロステップとともに、散逸を抑制するボルテックス格子の位相ロックダイナミクスを示している。

ABSTRACT

Despite theoretical predictions for a Cherenkov-type radiation of spin waves (magnons) by various propagating magnetic perturbations, fast-enough moving magnetic field stimuli have not been available so far. Here, we experimentally realize the Cherenkov radiation of spin waves in a Co-Fe magnonic conduit by fast-moving (>1 km/s) magnetic flux quanta (Abrikosov vortices) in an adjacent Nb-C superconducting strip. The radiation is evidenced by the microwave detection of spin waves propagating a distance of 2 micrometers from the superconductor and it is accompanied by a magnon Shapiro step in its current-voltage curve. The spin-wave excitation is unidirectional and monochromatic, with sub-40 nm wavelengths determined by the period of the vortex lattice. The phase-locking of the vortex lattice with the excited spin wave limits the vortex velocity and reduces the dissipation in the superconductor.

研究の動機と目的

• マグノニクス分野で長年にわたり理論的に予想されてきたが観測されていなかった、高速移動する磁束量子によるチェレンコフ型スピン波放射を実験的に実現すること。
• 従来の超伝導体におけるボルテックス速度制限に起因する、前例のない高速磁束摂動の不足を克服すること。
• 電子緩和時間が極めて速いNb-Cにおいて、超高速ボルテックス（1 km/s以上）を用いてスピン波を励起することの実証。
• 観測された放射がマグノンシャピロステップに結びつくことの解明を通じ、ボルテックス格子とスピン波の間の位相ロックを示すこと。
• ボルテックス格子とマグノンの同期化が超伝導体ヘテロ構造における散逸低減に寄与するメカニズムの確立。

提案手法

• Nb-C/Nb/Py/Nb-Cヘテロ構造を用い、Nb-Cにおける急速な電子-フォノンエネルギー緩和によって超高速ボルテックス運動を可能にした。
• ブロードバンドマイクロ波検出を用いて、超伝導ストリップ隣接のCo-Feマグノニクスコンduit内を2 µm伝わるスピン波を測定した。
• 超伝導体の電流-電圧（I-V）特性をモニタリングし、定電圧シャピロステップの出現を観測することで、ボルテックス格子とスピン波の位相ロックダイナミクスを検出。
• 電子温度とフォノン温度の時間発展、熱伝導、印加電流下でのボルテックス運動を組み込んだ、ギンツブルグ＝ランダウに基づくモデルを用いてボルテックスダイナミクスをシミュレート。
• 電子-フォノン緩和、ジュール加熱、マイクロストリップ端縁の境界条件を考慮した、超伝導秩序パラメータと電流密度の連立方程式をモデル化。
• ボルテックス格子の格子定数（ax, ay）や磁場振幅（dA）を変化させ、異なるボルテックス配置とスピン波との相互作用をシミュレート。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁束量子がマグノニクスコンduit内のスピン波の位相速度を超えて移動する場合、スピン波のチェレンコフ放射が実験的に観測可能か？
• RQ2 ボルテックス格子と励起されたスピン波の間の位相ロックが、超伝導ヘテロ構造におけるボルテックス運動の安定化と散逸低減に果たす役割は何か？
• RQ3 Nb-Cにおける超高速ボルテックス速度（1 km/s以上）が、波長が40 nm未塔の単色的かつ一方向性のスピン波を励起可能にするメカニズムは何か？
• RQ4 マグノン誘発ボルテックス格子同期化が、超伝導ストリップのI-V曲線上にシャピロステップとしてどの程度顕在化するか？
• RQ5 本系におけるチェレンコフ放射の閾値を支配する主要な物理的パラメータは何か。それらが放射効率およびコhereneyに与える影響は？

主な発見

• ブロードバンドマイクロ波検出を用いて、Co-Feマグノニクスコンduit内を2 µm伝わるスピン波のチェレンコフ放射が実験的に観測された。
• スピン波は一方向的かつ単色的であり、波長は40 nm未塔であり、移動するボルテックス格子の周期に起因していた。
• 超伝導ストリップの電流-電圧曲線上に明確なシャピロステップが観測され、ボルテックス格子と励起スピン波の間の位相ロックが確認された。
• ボルテックス速度は、散逸を低減するダイナミックピンナップ力として機能する位相ロック機構によって制限されていた。
• シミュレーションにより、I-V曲線のプラトー部がボルテックス速度（vCh）に敏感であることが確認されたが、その幅と勾配はボルテックス格子間隔（ax, ay）に対しては弱い依存性を示した。
• 本系ではNb-Cで1 km/sを超えるボルテックス速度を達成し、マグノンチェレンコフ放射の初回実験的実現を達成した。