[論文レビュー] Josephson oscillations in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate

Alexander J. E. Kreil, Anna Pomyalov+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、磁性トンネル近辺でのパラメトリック励起を介してフェリ磁性膜内で実現された室温ボーズ＝アインシュタイン凝縮状態のマグノンにおいて、交流ジョセフソン効果が示された。この効果は、凝縮状態間の位相差に起因するマグノン凝縮状態密度の位相整合的揺動として現れ、室温でマクロな量子系におけるジョセフソン揺動が初めて観測されたことを意味し、マグノンスピントロニクスのための新たな道筋を提供する。

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.

研究の動機と目的

• 室温マグノンボーズ＝アインシュタイン凝縮状態におけるマクロな量子もつれの実証。
• 冷却を要しない固体系で交流ジョセフソン効果の観測。
• 常温条件下でのマグノン系における量子現象を研究するためのプラットフォームの確立。
• 位相制御されたダイナミクスを介して、マグノンスピントロニクスへの応用可能性の実現。

提案手法

• 直流電流がフェリ磁性膜に磁性トンネルを生成し、マグノンの空間的に不均一なポテンシャルを形成する。
• パラメトリック励起を用いてトンネル近辺にマグノンガスを励起し、ボーズ＝アインシュタイン凝縮の形成を誘導する。
• システムは、トンネル内とその周辺領域に位置する2つの結合したマグノン凝縮状態を支持しており、位相差を調整可能である。
• トンネル内のマグノン凝縮状態密度の時間分解測定により、位相整合的ジョセフソン揺動を検出する。
• 凝縮状態間の位相差が、密度の周期的揺動を駆動し、交流ジョセフソン効果の確認に寄与する。
• 結合したマグノン凝縮状態のダイナミクスを記述するため、グロス＝ピタエフスキー方程式に基づく理論的モデリングが用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温でマグノンボーズ＝アインシュタイン凝縮状態において交流ジョセフソン効果を観測できるか？
• RQ2 磁性ポテンシャルの空間的不均一性は、ジョセフソン揺動の実現にどのように寄与するか？
• RQ3 2つのマグノン凝縮状態間の位相差は、それらの集団的ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 冷却を要しない状態で、マグノン凝縮状態はどの程度まで位相整合的量子揺動を維持できるか？
• RQ5 この効果は、マグノンベースの量子デバイス開発にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 室温マグノンボーズ＝アインシュタイン凝縮状態において、交流ジョセフソン効果が実験的に観測され、固体系におけるマクロな量子もつれの確認がなされた。
• トンネル内凝縮状態と周辺領域の凝縮状態間の位相整合的位相差が、マグノン凝縮状態密度の周期的揺動と直接関連している。
• 揺動周波数は印加された位相差に比例しており、ジョセフソン関係と整合的である。
• システムは安定的かつ長寿命の位相整合的ダイナミクスを示しており、常温条件下での熱的およびデコherence効果に対する頑健性を示している。
• 室温マグノン凝縮状態が、超低温原子系に限定されていた典型的なマクロな量子現象を支えることができることを示した。
• 本結果は、マグノン凝縮状態の位相制御による量子制御を基盤とするスケーラブルなマグノンスピントロニクスデバイスの実現への道筋を開いた。