[论文解读] Coherent Control of Magnonic Spin Transport in an Antiferromagnetic Insulator

Tobias Wimmer, Akashdeep Kamra+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究通过各向同性磁子输运和由易平面各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用驱动的相干进动，实现了在赤铁矿（一种反铁磁绝缘体）中对磁子自旋输运和赝自旋动力学的相干控制。关键成果是观察到了电子Hanle效应和Datta-Das晶体管的磁子类比，实现了对磁子赝自旋的控制，为潜在的拓扑和自旋电子学应用铺平了道路。

ABSTRACT

The spin-1/2 of an electron makes it an archetypal two-level system and inspires the description of other two-level systems using an analogous pseudospin. The quantized spin excitations of an ordered antiferromagnet are such pairs of spin-up and -down magnons and can be characterized by a magnonic pseudospin, which has eluded experiments thus far. The similarity between electronic spin and magnonic pseudospin has triggered the prediction of exciting phenomena like emergent spin-orbit coupling and topological states in antiferromagnetic magnonics. Here, we report experiments demonstrating coherent control of magnon spin transport and pseudospin dynamics in a thin film of the antiferromagnetic insulator hematite. We quantitatively explain our experiments in terms of diffusive magnon transport and a coherent precession of the magnon pseudospin caused by the easy-plane anisotropy and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. This experimental observation can be viewed as the magnonic analogue of the electronic Hanle effect and the Datta-Das transistor, unlocking the high potential of antiferromagnetic magnonics towards the realization of rich electronics-inspired phenomena.

研究动机与目标

• 通过克服长期以来检测磁子赝自旋的挑战，实验观测并控制反铁磁绝缘体中磁子赝自旋动力学。
• 通过实现Hanle效应和Datta-Das晶体管的磁子类比，建立电子自旋电子学现象与磁子系统之间的联系。
• 研究本征相互作用（特别是易平面各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）在实现磁子赝自旋相干进动中的作用。
• 使用扩散输运模型和自旋进动机制，对磁子输运和赝自旋动力学提供定量解释。

提出的方法

• 采用薄膜赤铁矿作为磁子输运和赝自旋控制的平台，该材料为反铁磁绝缘体。
• 利用各向同性磁子输运理论，模拟材料中磁子的传播与衰减。
• 通过易平面各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的协同效应，设计并测量磁子赝自旋的相干进动。
• 施加外磁场以调节进动频率，并观测磁子输运的相应调制，类比于Hanle效应。
• 基于自旋进动和扩散输运理论模型，对实验数据与理论结果进行定量比较。
• 采用赝自旋形式描述磁子激发的两能级特性（自旋向上和自旋向下的磁子），将其视为类似于电子自旋态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在赤铁矿等反铁磁绝缘体中相干控制磁子赝自旋动力学？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和易平面各向异性在多大程度上实现了磁子赝自旋的相干进动？
• RQ3 所观测到的磁子输运是否表现出类比于电子Hanle效应的行为？
• RQ4 磁子系统是否可由结合扩散输运模型与相干赝自旋进动机制的理论模型描述？
• RQ5 在反铁磁体系中是否存在可行的Datta-Das自旋晶体管磁子类比？

主要发现

• 本研究首次在赤铁矿中实验展示了对磁子赝自旋的相干控制，证实了反铁磁绝缘体中磁子赝自旋的存在及其可操控性。
• 所观测到的磁子输运表现出明显的外磁场调制特性，表明在易平面各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的共同作用下，赝自旋发生了相干进动。
• 实验结果可通过结合扩散磁子输运与相干赝自旋进动的模型得到定量解释，验证了理论框架的正确性。
• 该系统表现出类比于电子Hanle效应的行为，其特征为信号随外磁场变化而呈现由进动驱动的衰减。
• 研究结果为在反铁磁磁子学中实现拓扑和自旋电子学现象奠定了基础，其灵感源自电子类比。
• 本工作证实磁子赝自旋可被相干操控，为磁子逻辑与信息处理开辟了新途径。