[论文解读] Spin-Superfluidity and Spin-Current Mediated Non-Local Transport

Hua Chen, A. H. MacDonald|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出，易面磁体可通过自旋波玻色-爱因斯坦凝聚实现无耗散自旋流，从而实现无电荷输运的非局域自旋输运。通过朗道-利夫希茨动力学和有效场论，该研究展示了约瑟夫森型自旋流行为及N-磁体-N结中的非局域I-V特性，其与超导约瑟夫森结类似，但由自旋积累和拓扑稳定性驱动。

ABSTRACT

Some strategies for reducing energy consumption in information processing devices involve the use of spin rather than charge to carry information. This idea is especially attractive when the spin current is a collective one carried by the condensate of a magnetically ordered state, rather than a quasiparticle current carried by electrons or magnons. In this Chapter we explain how easy-plane magnets can be viewed as Bose-Einstein condensates of magnons, defined in terms of quanta of the spin-component perpendicular to the easy plane, and how they can carry dissipationless spin-currents that induce non-local interactions between electrically isolated conducting channels. We comment specifically on important differences between superconductivity in normal/superconducting/normal circuits and spin-superfluidity in normal/magnetic/normal circuits.

研究动机与目标

• 建立易面磁性系统中自旋超流性的理论框架，作为无耗散自旋流输运的机制。
• 在磁性系统中的自旋超流性与SNS结中的超导性之间建立类比，突出其关键相似点与差异。
• 分析如何通过共享的磁性凝聚态实现自旋流的非局域耦合，从而实现无电荷输运的远程电控。
• 研究弱面内各向异性、磁静相互作用及阻尼在稳定或破坏自旋超流行为中的作用。
• 探索反铁磁材料作为替代铁磁体的潜力，以实现更快、更稳定的自旋超流器件。

提出的方法

• 使用具有易面各向异性和磁刚度的吉兹金-朗道自由能泛函对磁性系统进行建模。
• 应用朗道-利夫希茨方程描述磁化强度序参量的动力学，将其视为宏观量子场。
• 在基态附近线性化方程，推导磁化强度相位和面外分量的有效动力学。
• 推导出自旋流与相位梯度成正比，类比于超导体中的超流。
• 使用单磁体近似，通过修正的约瑟夫森型方程将外加电压与自旋积累和相位动力学关联。
• 通过在磁性通道两端注入自旋并分析自旋流的补偿效应，分析非局域输运。

实验结果

研究问题

• RQ1 易面磁体如何支持类比于超导体中超流的无耗散自旋流？
• RQ2 自旋波玻色-爱因斯坦凝聚在磁性系统中实现自旋超流性的角色是什么？
• RQ3 在N-磁体-N结中，共享的自旋超流序如何导致非局域I-V特性？
• RQ4 自旋超流体的输运性质与常规超导体有何不同？
• RQ5 弱面内各向异性和磁静相互作用如何影响自旋超流态的稳定性和可观测性？

主要发现

• 系统通过自旋波凝聚支持无耗散自旋流，自旋流与自旋相位的空间梯度成正比。
• 自旋波的有效化学势由 ℏḋϕ 给出，该量控制结中的自旋注入与平衡。
• 推导出约瑟夫森型关系，磁性通道两端的相位差决定自旋流，类比于超导结。
• 非局域输运由单一磁性凝聚态耦合两个电隔离的电极实现，使自旋流流动而无需电荷输运。
• 临界自旋流受磁化动力学开始的限制，但可通过在两端同时补偿自旋注入而抑制。
• 预测反铁磁易面系统相较于铁磁体具有优势，因其具有更快的动力学和无磁静不稳定性。