[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文实验上展示了在相邻Nb-C超导条带中以超过1 km/s速度运动的阿布里科索夫涡旋（超快磁通量子）驱动下，钴铁磁子导波通道中磁子（自旋波）的切伦科夫辐射。通过宽带微波检测在导波通道中传播2 µm的自旋波，证实了该辐射现象，同时在电压-电流曲线中观察到磁子沙伊巴罗夫台阶（magnon Shapiro step），表明涡旋晶格动力学与自旋波实现相位锁定，从而抑制了耗散。

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.

研究动机与目标

• 实验实现快速移动磁通量子引发的自旋波切伦科夫辐射，这是长期以来理论预测但尚未被观测到的自旋波学现象。
• 克服以往研究中由于常规超导体中涡旋速度受限而导致的足够快磁扰动缺乏的问题。
• 在Nb-C中实现通过超快电子弛豫实现涡旋速度超过1 km/s，从而激发自旋波。
• 将观测到的辐射与磁子沙伊巴罗夫台阶关联，表明涡旋晶格与自旋波之间存在动态相位锁定。
• 通过涡旋晶格与磁子同步，建立超导异质结构中耗散减少的机制。

提出的方法

• 采用Nb-C/Nb/Py/Nb-C异质结构，利用Nb-C中快速的电子-声子能量弛豫实现超快涡旋运动。
• 采用宽带微波检测技术，测量通过邻近超导条带的Co-Fe磁子导波通道中传播2 µm的自旋波。
• 监测超导体的电流-电压（I-V）特性，检测到恒定电压的沙伊巴罗夫台阶，表明磁子-涡旋动力学实现相位锁定。
• 利用基于金兹堡-朗道模型的模拟，结合电子和声子温度演化、热传导以及外加电流下的涡旋运动，模拟涡旋动力学。
• 通过耦合方程模拟超导序参量和电流密度，考虑电子-声子弛豫、焦耳加热以及微带边缘的边界条件。
• 改变参数如涡旋晶格间距（ax, ay）和磁场振幅（dA），模拟不同涡旋构型及其与自旋波的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 当磁通量子在磁子导波通道中移动速度超过自旋波相速度时，能否实验观测到自旋波的切伦科夫辐射？
• RQ2 涡旋晶格与激发的自旋波之间的相位锁定在稳定涡旋运动和减少超导异质结构中耗散方面起什么作用？
• RQ3 Nb-C中超过1 km/s的超快涡旋速度如何实现波长小于40 nm的单色、单向自旋波激发？
• RQ4 磁子诱导的涡旋晶格同步在超导条带的I-V曲线中以沙伊巴罗夫台阶形式表现的程度如何？
• RQ5 决定该系统中切伦科夫辐射阈值的关键物理参数是什么？它们如何影响辐射效率和相干性？

主要发现

• 通过测量在Co-Fe磁子导波通道中传播2 µm的自旋波，实验观测到自旋波的切伦科夫辐射。
• 自旋波为单向且单色，波长低于40 nm，由运动涡旋晶格的周期决定。
• 在超导条带的电流-电压曲线上观察到明显的沙伊巴罗夫台阶，证实了涡旋晶格与激发自旋波之间的相位锁定。
• 涡旋速度受相位锁定机制限制，该机制作为动态钉扎力，减少了超导体中的能量耗散。
• 模拟结果证实，I-V曲线中的平台对涡旋速度（vCh）敏感，而其宽度和斜率对涡旋晶格间距（ax, ay）的依赖性较弱。
• 该系统在Nb-C中实现了超过1 km/s的涡旋速度，首次实现了磁子切伦科夫辐射的实验验证。