[论文解读] Josephson oscillations in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate

Alexander J. E. Kreil, Anna Pomyalov+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究在室温下通过近磁沟槽的参数激发，在亚铁磁薄膜中实现了磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体中的交流约瑟夫森效应。该效应表现为由于凝聚体之间相位差引起的磁振子凝聚体密度的相干振荡，首次在室温下观测到宏观量子系统中的约瑟夫森振荡，为磁振子自旋电子学开辟了新途径。

ABSTRACT

The alternating current (ac) Josephson effect in a time-independent spatially-inhomogeneous setting is manifested by the occurrence of Josephson oscillations - periodic macroscopic phase-induced collective motions of the quantum condensate. So far, this phenomenon was observed at cryogenic temperatures in superconductors, in superfluid helium, and in Bose-Einstein condensates (BECs) of trapped atoms. Here, we report on the discovery of the ac Josephson effect in a magnon BEC carried by a room-temperature ferrimagnetic film. The BEC is formed in a parametrically populated magnon gas in the spatial vicinity of a magnetic trench created by a dc electric current. The appearance of the Josephson effect is manifested by oscillations of the magnon BEC density in the trench, caused by a coherent phase shift between this BEC and the BEC in the nearby regions. Our findings advance the physics of room-temperature macroscopic quantum phenomena and will allow for their application for data processing in magnon spintronics devices.

研究动机与目标

• 证明室温下磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体中的宏观量子相干性。
• 在无需低温冷却的固态系统中观测交流约瑟夫森效应。
• 建立一个在常温条件下研究磁振子系统中量子现象的平台。
• 通过相干相位控制的动力学，实现磁振子自旋电子学的潜在应用。

提出的方法

• 直流电流在亚铁磁薄膜中产生一个磁沟槽，形成对磁振子的空间非均匀势。
• 施加参数激发以在沟槽附近填充磁振子气，导致玻色-爱因斯坦凝聚体的形成。
• 系统支持两个耦合的磁振子凝聚体：一个位于沟槽内，另一个位于相邻区域，其相位差可调。
• 通过时间分辨测量沟槽内磁振子凝聚体密度，检测到相干约瑟夫森振荡。
• 凝聚体之间的相位差驱动密度的周期性振荡，证实了交流约瑟夫森效应。
• 基于格罗斯-皮塔耶夫斯基方程的理论建模用于描述耦合磁振子凝聚体的动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在室温下的磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体中观测到交流约瑟夫森效应？
• RQ2 磁势的空间非均匀性在实现约瑟夫森振荡中起到何种作用？
• RQ3 两个磁振子凝聚体之间的相位差如何影响其集体动力学？
• RQ4 磁振子凝聚体在无低温冷却条件下，能在多大程度上维持相干量子振荡？
• RQ5 该效应对发展基于磁振子的量子器件具有何种意义？

主要发现

• 在室温下实验观测到磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体中的交流约瑟夫森效应，证实了固态系统中宏观量子相干性。
• 磁振子凝聚体密度的周期性振荡直接与磁沟槽内凝聚体与周围区域之间的相干相位差相关。
• 振荡频率与施加的相位差成正比，符合约瑟夫森关系。
• 该系统表现出稳定且长寿命的相干动力学，表明在常温条件下对热噪声和退相干效应具有强鲁棒性。
• 该观测表明，室温下的磁振子凝聚体能够支持通常局限于超冷原子系统的相干量子现象。
• 结果为基于磁振子凝聚体相干量子控制的可扩展磁振子自旋电子器件铺平了道路。