[论文解读] Laser induced enhanced coupling between photons and squeezed magnons in antiferromagnets

J. C. G. Henriques, T. V. C. Antão+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 50被引用 2

一句话总结

本文提出，通过重整化交换相互作用并诱导合成的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），圆偏振激光场可增强蜂窝反铁磁体中光子与压缩自旋波之间的耦合。激光调谐使自旋波-光子耦合强度最高提升一个数量级，从而实现非互易自旋波输运，并使腔体透射光谱能够映射自旋波色散关系。

ABSTRACT

In this paper we consider a honeycomb antiferromagnet subject to an external laser field. Obtaining a time-independent effective Hamiltonian, we find that the external laser renormalizes the exchange interaction between the in-plane components of the spin-operators, and induces a synthetic Dzyaloshinskii-Moria interaction (DMI) between second neighbors. The former allows the control of the magnon dispersion's bandwidth and the latter breaks time-reversal symmetry inducing non-reciprocity in momentum space. The eigen-excitations of the system correspond to squeezed magnons whose squeezing parameters depend on the properties of the laser. When studying how these spin excitations couple with cavity photons, we obtain a coupling strength which can be enhanced by an order of magnitude via careful tuning of the laser's intensity, when compared to the case where the laser is absent. The transmission plots through the cavity are presented, allowing the mapping of the magnons' dispersion relation.

研究动机与目标

• 探讨圆偏振激光对蜂窝反铁磁体中自旋波激发的影响。
• 研究激光诱导的合成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）如何破缺时间反演对称性并实现非互易自旋波输运。
• 证明通过激光控制可使腔体光子与压缩自旋波之间的耦合强度提升至一个数量级。
• 通过腔体透射光谱实现对自旋波色散关系的实验映射。

提出的方法

• 利用Floquet形式化推导时间无关的有效哈密顿量，以描述激光驱动的反铁磁系统。
• 应用Bogoliubov变换对有效哈密顿量进行对角化，将本征激发识别为压缩自旋波。
• 引入腔模与自旋波模式耦合，构建混合自旋波-光子系统。
• 计算自旋波-光子耦合强度随激光强度和偏振度的变化关系。
• 模拟腔体透射光谱，以在激光调控下映射自旋波色散关系。
• 引入Dzyaloshinskii-Moriya相互作用项，破缺时间反演对称性，实现在动量空间中的非互易性。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆偏振激光场如何改变交换相互作用，并在蜂窝反铁磁体中诱导合成的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用？
• RQ2 激光场能否调节自旋波色散的能带宽度并诱导非互易自旋波传播？
• RQ3 激光最多能在多大程度上增强腔体光子与压缩自旋波之间的耦合？
• RQ4 在激光辐照下，腔体透射光谱如何反映修改后的自旋波色散关系？

主要发现

• 激光场重整化了面内自旋交换相互作用，有效调节了自旋波色散的能带宽度。
• 在第二近邻之间诱导出合成的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，破缺时间反演对称性，实现非互易自旋波输运。
• 自旋波本征激发为压缩态，其压缩参数取决于激光强度和偏振度。
• 通过最优激光调谐，自旋波-光子耦合强度相比无辐照情况最高提升一个数量级。
• 腔体透射光谱清晰映射了修改后的自旋波色散关系，包括激光诱导的DMI效应和能带调制。
• 该系统支持稳定存在的平衡态压缩自旋波，其由反铁磁序稳定，并可通过激光场进一步调控。