[论文解读] Observation of Spin-Wave Moiré Edge and Cavity Modes in Twisted Magnetic Lattices

Hanchen Wang, M. Madami+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究通过实验展示了在钇铁石榴石（YIG）薄膜中由两个反点阵组成的扭曲磁性晶格中，拓扑自旋波莫尔边缘模和腔模的存在。利用聚焦微米级布里渊散射（µ-BLS），作者在6°扭转角和50 mT磁场条件下观测到手性边缘模，微磁学模拟证实这些模态源于偶极相互作用和非平庸贝里曲率导致的磁子能带隙中的涌现，这是莫尔系统中首次实现拓扑磁子边缘态的实验验证。

ABSTRACT

We report the experimental observation of the spin-wave moiré edge and cavity modes using Brillouin light scattering spectro-microscopy in a nanostructured magnetic moiré lattice consisting of two twisted triangle antidot lattices based on an yttrium iron garnet thin film. Spin-wave moiré edge modes are detected at an optimal twist angle and with a selective excitation frequency. At a given twist angle, the magnetic field acts as an additional degree of freedom for tuning the chiral behavior of the magnon edge modes. Micromagnetic simulations indicate that the edge modes emerge within the original magnonic band gap and at the intersection between a mini-flatband and a propagation magnon branch. Our theoretical estimate for the Berry curvature of the magnon-magnon coupling suggests a non-trivial topology for the chiral edge modes and confirms the key role played by the dipolar interaction. Our findings shed light on the topological nature of the magnon edge mode for emergent moiré magnonics.

研究动机与目标

• 通过在YIG薄膜中扭转两个反点阵，实验演示由莫尔磁性晶格形成的拓扑自旋波边缘模。
• 研究扭转角和外加磁场对磁子边缘模手性行为的调控作用。
• 通过微磁学模拟和贝里曲率的理论分析，确认所观测边缘模的拓扑起源。

提出的方法

• 在GGG衬底上，利用YIG薄膜中的两个三角形反点亚晶格，制备具有6°扭转角的扭曲磁性莫尔晶格。
• 采用聚焦微米级布里渊散射（µ-BLS）技术，以亚微米分辨率空间分辨并可视化自旋波模式。
• 使用纳米带状天线激发具有特定波矢（垂直于天线方向）的自旋波，实现对边缘模和腔模的选择性激发。
• 沿天线方向施加外磁场，以调节磁子能带结构并控制手性边缘模的行为。
• 开展微磁学模拟，以模拟自旋波传播、边缘模形成以及莫尔超晶格内偶极场分布。
• 对磁子能带结构和贝里曲率进行理论分析，以确认非平庸拓扑性及偶极相互作用在边缘模形成中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在YIG中通过扭转两个反点阵形成的莫尔磁性晶格中，实验观测到拓扑自旋波边缘模？
• RQ2 扭转角和外加磁场如何影响磁子边缘模的形成及其手性特征？
• RQ3 所观测边缘模的起源是什么？具体而言，它们是否源于能带隙内由小能带平坦化与传播磁子分支的交叠所形成的机制？
• RQ4 偶极相互作用与非平庸贝里曲率在边缘模的拓扑保护中起到多大程度的贡献？
• RQ5 是否能在莫尔晶胞中观测到腔模？它们在空间局域化特征和激发频率上与边缘模有何不同？

主要发现

• 在6°扭转角和50 mT磁场条件下，观测到最强的拓扑自旋波边缘模，其频率为3.1 GHz。
• 边缘模局域在莫尔晶胞边界，表现出手性传播特性，该结果通过方向性BLS强度图和线轮廓图得到证实。
• 腔模在莫尔晶胞中心强烈局域，频率为2.9 GHz，表现为µ-BLS强度图中的高强度点。
• 微磁学模拟表明，边缘模在原始磁子能带隙内形成，其位置对应于小能带平坦化与传播磁子分支的交点。
• 理论分析揭示磁子-磁子耦合具有非平庸的贝里曲率，证实了边缘模的拓扑本质。
• 偶极相互作用被确定为在莫尔磁性晶格中形成拓扑保护边缘态的关键机制。