[论文解读] Strong coupling between magnons in a chiral magnetic insulator Cu$_2$OSeO$_3$ and microwave cavity photons

L. V. Abdurakhimov, Safe Khan+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Multiferroics and related materials被引用 2

一句话总结

本研究在5–100 K温度范围内，实现了手性磁性绝缘体Cu₂OSeO₃中亚铁磁自旋波与两个微波腔模之间的强耦合，合作参数达到3600。耦合强度与净磁化强度的平方根成正比，从而可通过腔共振频率的偏移重构材料的磁相图。

ABSTRACT

Anticrossing behavior between magnons in a multiferroic chiral magnet Cu$_2$OSeO$_3$ and a two-mode dielectric resonator cavity was studied in the temperature range 5 - 100 K. We observed a strong coupling regime between ferrimagnetic magnons and two microwave cavity modes with a cooperativity reaching 3600. We measure a coupling strength which scales as the square root of the net magnetization, $g \propto \sqrt{M(T)}$, and demonstrate that the magnetic phase diagram of Cu$_2$OSeO$_3$ can be reconstructed from the measurements of the resonance frequency of a dispersively-coupled cavity mode. An additional avoided crossing between a helimagnon and a cavity mode was observed at low temperatures. Our results reveal a new class of magnetic systems where strong coupling of microwave photons to non-trivial spin textures can be observed.

研究动机与目标

• 研究手性磁性绝缘体中的自旋波与微波腔光子之间的强耦合。
• 探讨在Cu₂OSeO₃中耦合强度随温度和净磁化强度的变化关系。
• 证明Cu₂OSeO₃的磁相图可从色散腔测量中重构。
• 观测并表征腔模与亚铁磁自旋波及螺旋磁性自旋波模之间的反交叉现象。

提出的方法

• 采用双模介电谐振腔，在5 K至100 K温度范围内实现Cu₂OSeO₃中自旋波的耦合。
• 测量腔模共振频率在自旋波激发下的偏移，表明为色散耦合。
• 通过分析腔模与自旋波模之间的反交叉行为，提取耦合强度与合作参数。
• 利用耦合强度与净磁化强度平方根成正比（g ∝ √M(T)）的观测关系，推断磁序参数。
• 进行温度依赖的光谱测量，以识别不同磁相之间的转变。
• 在低温下观测到螺旋自旋波模与腔模之间的额外反交叉现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在像Cu₂OSeO₃这样的手性磁性绝缘体中实现微波腔光子与自旋波之间的强耦合？
• RQ2 该系统中耦合强度如何随温度和净磁化强度变化？
• RQ3 能否通过腔共振频率偏移重构Cu₂OSeO₃的磁相图？
• RQ4 在腔模与不同类型的自旋波模（如亚铁磁和螺旋磁性自旋波模）之间是否存在明显的反交叉现象？

主要发现

• 成功实现了亚铁磁自旋波与两个微波腔模之间的强耦合，合作参数达到3600。
• 耦合强度与净磁化强度的平方根成正比（g ∝ √M(T)），表明其与磁序存在直接关联。
• 通过温度依赖的腔共振频率测量，成功重构了Cu₂OSeO₃的磁相图。
• 在低温下（约50 K以下）观测到螺旋自旋波模与腔模之间的额外反交叉现象。
• 由于磁序随温度变化，系统展现出可调谐的自旋波-光子相互作用，实现了对自旋-光子耦合的动态调控。
• 研究结果确立了Cu₂OSeO₃作为研究具有非平凡自旋纹理的强光-物质相互作用的新平台。