[논문 리뷰] Magnon Supercurrent in a Magnon Bose-Einstein Condensate subject to a Thermal Gradient

Per Axel Clausen, B. Hillebrands|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 02.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 10인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 실온에서의 멀티온 보즈아인슈타인 응축체(BEC)에 열기울기가 유도된 멀티온 슈퍼전류의 존재를 입증한다. 시간해상 분辨 브릴루아인 빛산란을 통해 국소적 레이저 가열이 응축체 파동함수에 위상기울기를 유도하고, 이로 인해 슈퍼전류가 발생하여 정상상태 밀도와 일시적 회복 동역학을 변화시키지만 기체상태의 회복 동역학에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We report evidence for the existence of a supercurrent of magnons in a magnon Bose-Einstein condensate (BEC) prepared in a room temperature yttrium-iron-garnet (YIG) magnetic film. The magnon BEC is formed in a parametrically populated magnon gas, and its temporal evolution is studied by time-resolved Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy in the area of the BLS laser focus. It has been found that local laser heating in the center of the condensate decreases the density of the magnon BEC in the steady-state pump regime and it enhances the temporal decrease of the freely evolving magnon condensate after the termination of the pumping pulse, but it does not alter the relaxation dynamics of the gaseous magnon phase. This phenomenon is understood as the appearance of a magnon supercurrent within the condensate due to a temperature-gradient induced phase gradient in the condensate. Bose-Einstein condensation [1] can be achieved either by decreasing the temperature of a boson gas [2] or by increasing its density. The latter method is especially applicable to g ases of weakly interacting quasi-particles such as excitons [3] , polaritons [4, 5], photons [6], and magnons [7, 8]. When a spin system is pumped, and when the injected magnons thermalize through scattering processes conserving both their number and the total energy, a Bose-Einstein condensate (BEC) may be formed at the lowest energy state of the energy-momentum spectrum even at room temperature conditions of the magnetic film carrying the magnons [8, 9]. As the condensed magnon phase is localized in the global energy minimum, its group velocity is exactly zero and no energy transport can be associated with the magnon BEC. The situation can change, when a magnon supercurrent driven by a gradient in the phase of the wavefunction of a magnon condensate can be excited. Such a phase gradient can be induced by, e.g., a potential gradient or a temperature gradient. However, the dynamics of magnon condensates in such a gradient is still terra incognita. Here we provide experimental insight into the evolution of a magnon BEC in a thermal gradient generated by local laser heating. We show that such a heating influences both the steady-state characteristics and the transitional behavior of the magno n BEC, which can be understood using the concept of a magnon supercurrent. We study the temporal evolution of a magnon BEC in a single-crystal yttrium iron garnet (YIG, Y3Fe5O12) film by

연구 동기 및 목표

• 실온에서 YIG 필름에 존재하는 멀티온 보즈아인슈타인 응축체(BEC)의 동역학에 열기울기가 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 열기울기가 멀티온 BEC 파동함수에 위상기울기를 유도하여 슈퍼전류를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 국소적 레이저 가열이 멀티온 BEC의 정상상태 특성과 일시적 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 온도에 의해 유도된 위상기울기로 인한 멀티온 슈퍼전류가 실험적으로 입증될 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• YIG 필름에서 멀티온 기체를 생성하고 열적 평형을 이룩하여 보즈아인슈타인 응축체를 형성하기 위해 비선형(excitation)을 활용하기 위해.
• 멀티온 BEC의 중심부에 국소적 레이저 가열을 적용하여 열기울기를 생성하기 위해.
• 멀티온 BEC의 시공간적 진화를 모니터링하기 위해 시간해상 분별 브릴루아인 빛산란(BLS) 분광법을 활용하기 위해.
• 정상상태 조사와 레이저 조사 종료 후의 응축체 밀도 및 회복 동역학의 변화를 분석하기 위해.
• 관측된 위상기울기 및 슈퍼전류 효과를 해석하기 위해 그로스-피타예프스키 방정식 프레임워크를 사용하기 위해.
• 열적 교란 하에서 BEC 및 기체상 멀티온 단계의 회복 동역학을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열기울기가 멀티온 보즈아인슈타인 응축체에 위상기울기를 유도할 수 있는가?
• RQ2 국소적 레이저 가열은 멀티온 BEC의 정상상태 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 열기울기가 자유롭게 진화하는 멀티온 BEC의 일시적 회복 동역학을 변화시키는가?
• RQ4 관측된 행동은 온도에 의해 유도된 위상기울기로 인한 멀티온 슈퍼전류의 발생과 일치하는가?
• RQ5 기체상 멀티온 단계의 회복 동역학은 국소적 가열에 영향을 받지 않는데, 그 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 멀티온 BEC 중심부에 국소적 레이저 가열을 가함으로써 정상상태 밀도가 감소하여 열기울기에 의해 멀티온의 재분포가 발생함을 시사한다.
• 레이저 조사 종료 후에 국소적 가열이 이루어지면 자유진화 중인 멀티온 BEC의 붕괴율이 증가하여 슈퍼전류 동역학에 의해 강화된 회복이 발생함을 나타낸다.
• 기체상 멀티온 단계의 회복 동역학은 국소적 가열 조건에서도 그대로 유지되어, 이 효과가 응축상태에 특이적임을 시사한다.
• BEC 행동의 관측된 변화는 열기울기에 의해 유도된 위상기울기로 인해 발생하며, 이는 멀티온 슈퍼전류를 유도함을 의미한다.
• 시스템은 네트워크 에너지 이동 없이도 슈퍼전류를 나타내며, 이는 응축체가 전역 에너지 최소점에 국소화되어 있음을 일관되게 반영한다.
• 결과적으로 열기울기가 실온에서의 멀티온 BEC 파동함수에 위상기울기를 유도할 수 있으며, 이는 실온 멀티온 시스템에서 슈퍼전류 흐름을 가능하게 함을 확인한다.