[论文解读] Long-distance supercurrent transport in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate

Dmytro A. Bozhko, Alexander J. E. Kreil+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 16

一句话总结

该论文展示了在室温下由热致势阱产生的相位梯度驱动的磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中长距离超流输运。通过频率和波矢分辨的布里渊光散射技术，作者观测到一种相干的、长寿命的密度波——被识别为 Bogoliubov 激发态——以第二声脉冲的形式在数百微米的距离上传播，证实了室温准粒子系统中宏观量子输运的存在。

ABSTRACT

The term supercurrent relates to a macroscopic dissipation-free collective motion of a quantum condensate and is commonly associated with such famous low-temperature phenomena as superconductivity and superfluidity. Another type of motion of quantum condensates is second sound - a wave of the density of a condensate. Recently, we reported on an enhanced decay of a parametrically induced Bose-Einstein condensate (BEC) of magnons caused by a supercurrent outflow of the BEC phase from the locally heated area of a room temperature magnetic film. Here, we present the direct experimental observation of a long-distance spin transport in such a system. The condensed magnons being pushed out from the potential well within the heated area form a density wave, which propagates through the BEC many hundreds of micrometers in the form of a specific second sound pulse - Bogoliubov waves - and is reflected from the sample edge. The discovery of the long distance supercurrent transport in the magnon BEC further advances the frontier of the physics of quasiparticles and allows for the application of related transport phenomena for low-loss data transfer in perspective magnon spintronics devices.

研究动机与目标

• 通过实验演示室温磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中长距离超流输运。
• 研究超流输运与磁振子 BEC 中类似第二声激发态之间的关联。
• 表征由超流输运在均匀 BEC 区域中诱导的密度扰动的时空动力学行为。
• 利用 Gross-Pitaevskii 方程框架验证观测结果，并确认传播激发态的波特性。

提出的方法

• 采用单晶钇铁石榴石（YIG）薄膜作为磁电介质基质以实现磁振子 BEC，通过微波参量泵浦产生凝聚态。
• 将波长为 405 nm 的激光聚焦至 80 µm 光斑，局部加热 YIG 薄膜，形成热致磁不均匀性及磁振子势阱。
• 采用波长为 532 nm 的绿色激光束进行时间分辨、频率与波矢分辨的布里渊光散射（BLS）测量，实现 250 ps 时间分辨率的磁振子动力学探测。
• 采用双级法布里-珀罗干涉仪，频率分辨率达 100 MHz，用于检测光子计数并提取对应于磁振子模式的频率偏移。
• 通过精密线性位移平台实现 10 µm 的空间分辨率，实现对加热区与冷区的扫描探测。
• 利用 COMSOL Multiphysics 中的三维热传导模型计算温度分布，确认激光聚焦点处温度升高 40 K，BEC 模式频率偏移为 4.6 MHz。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温磁振子 BEC 中实现磁振子宏观超流的长距离输运？
• RQ2 在均匀 BEC 区域中，由超流流出形成的密度波具有何种性质？
• RQ3 超流诱导的扰动如何传播？是否可被描述为第二声波？
• RQ4 观测到的动力学行为与 Bogoliubov 激发态的 Gross-Pitaevskii 方程预测在多大程度上一致？
• RQ5 相位梯度与非线性项在维持激发态长距离传播中起何种作用？

主要发现

• 一种相干的密度波——被识别为 Bogoliubov 激发态——在磁振子 BEC 中传播超过 500 µm 而畸变极小。
• 观测到的波在长波长极限下表现出线性色散关系，证实其为第二声模式。
• 该波由热致势阱中产生的超流流出激发，相位梯度驱动集体运动。
• 由于 YIG 薄膜在室温下磁振子 BEC 的低阻尼特性，该传播过程可在数百微米距离上持续。
• 由于加热引起的 BEC 模式频率偏移为 2π·4.6 MHz，远小于非线性频率偏移 ΩNL，表明系统中非线性效应较弱。
• 实验数据与基于 Gross-Pitaevskii 方程的模拟结果高度一致，证实了激发态的孤子样特性，表现为振幅与相位的振荡行为。