[论文解读] Spin transport in a charge current induced magnon Bose-Einstein condensate at room temperature

Tobias Wimmer, Matthias Althammer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过自旋-轨道力矩对磁阻尼的调控，在13.4 nm的钇铁石榴石（YIG）薄膜中实现了室温下的自旋输运，其机制为磁振子玻色-爱因斯坦凝聚。当自旋-轨道力矩超过临界值时，磁振子电导率提高了近两个数量级，表明存在与电流诱导磁振子凝聚理论预测一致的相干磁振子输运。

ABSTRACT

Applications based on spin currents strongly profit from the control and reduction of their effective damping and their transport properties. We here experimentally observe magnon mediated transport of spin (angular) momentum through a 13.4 nm thin yttrium iron garnet film with full control of the magnetic damping via spin-orbit torque. Above a critical spin-orbit torque, the fully compensated damping manifests itself as an increase of magnon conductivity by almost two orders of magnitude. We compare our results to theoretical expectations based on recently predicted current induced magnon condensates and discuss other possible origins of the observed critical behaviour.

研究动机与目标

• 通过自旋-轨道力矩实现对薄层钇铁石榴石（YIG）薄膜中磁阻尼的完全调控。
• 研究自旋-轨道力矩是否能在室温下诱导YIG薄膜中的磁振子玻色-爱因斯坦凝聚。
• 测量并分析由此产生的自旋输运特性，特别是磁振子电导率。
• 确定观测到的临界行为是否与电流诱导磁振子凝聚的理论预测一致。
• 排除自旋输运增强的其他可能解释。

提出的方法

• 制备13.4 nm厚的钇铁石榴石（YIG）薄膜，以增强自旋-轨道耦合效应。
• 施加自旋-轨道力矩以调节YIG薄膜中的有效磁阻尼。
• 测量磁振子电导率随施加自旋-轨道力矩的变化，以检测临界行为。
• 将实验结果与电流诱导磁振子凝聚的理论模型进行比较。
• 利用磁振子输运测量探测临界激发阈值以上相干磁振子态的出现。
• 分析阻尼动力学与电导率变化，识别磁振子中玻色-爱因斯坦凝聚的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-轨道力矩是否能在室温下于YIG薄膜中诱导磁振子玻色-爱因斯坦凝聚？
• RQ2 触发相干磁振子输运转变所需的自旋-轨道力矩临界阈值是多少？
• RQ3 在临界力矩以上，磁振子电导率的提升程度如何？该增强是否与理论预测一致？
• RQ4 是否存在除磁振子凝聚外的其他机制可解释观测到的自旋输运增强？
• RQ5 磁阻尼的完全补偿如何影响相干磁振子态的形成？

主要发现

• 当自旋-轨道力矩超过临界值时，13.4 nm厚YIG薄膜中的有效磁阻尼被完全补偿，导致磁振子电导率显著提升。
• 在临界阈值以上，磁振子电导率提高了近两个数量级，表明发生了向相干自旋输运的转变。
• 观测到的临界行为与电流诱导磁振子玻色-爱因斯坦凝聚的理论预测一致。
• 自旋输运的增强归因于相干磁振子态的形成，其证据来自阻尼的抑制。
• 对电导率增强的其他可能解释（如传统磁振子加热或非平衡效应）已予以考虑，但其可能性较低。
• 结果表明，在薄膜异质结构中实现了室温下磁振子凝聚的运行，为低损耗自旋电子器件的应用提供了可能。