Бозе–ейнштейнівський конденсат магнонів і суперструми в широкому інтервалі температур
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe64.10.927Ключові слова:
magnon gas, parametric pumping, Bose–Einstein condensate, magnon superfluidity, magnon supercurrent, yttrium iron garnet (YIG)Анотація
Магноннi бозе-ейнштейнiвськi конденсати (БЕК) та суперструми – це когерентнi квантовi явища, що виникають на макроскопiчному масштабi в параметрично заселених спiнових системах в твердих тiлах. Одна з найбiльш захоплюючих та привабливих рис цих процесiв – можливiсть магнонної конденсацiї та збудження суперструмiв навiть при кiмнатнiй температурi. Водночас, цiнна iнформацiя про магноннi конденсати, така як час життя, порiг формування i ступiнь когерентностi, може бути отримана в експериментах, проведених при рiзних температурах. Ми використовуємо спектроскопiю брiллюенiвського розсiяння свiтла (БРС) для вивчення динамiки БЕК магнонiв в монокристалiчнiй плiвцi залiзо-iтрiєвого гранату в широкому iнтервалi температур вiд 30 K до 380 K. Порiвнюючи результати БРС з попереднiми надвисокочастотними вимiрами, ми виявили прямий зв’язок мiж затуханням конденсованих та параметрично iнжектованих магнонiв. Посилена динамiка суперструму зареєстрована при 180 К поблизу мiнiмуму затухання БЕК.
Посилання
G.A. Melkov, V.L. Safonov, A.Y. Taranenko, S.V. Sholom. Kinetic instability and Bose condensation of nonequilibrium magnons. J. Magn. Magn. Mater. 132, 180 (1994). https://doi.org/10.1016/0304-8853(94)90311-5
S.O. Demokritov, V.E. Demidov, O. Dzyapko, G.A. Melkov, A.A. Serga, B. Hillebrands, A.N. Slavin. Bose-Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping. Nature. 443, 430 (2006). https://doi.org/10.1038/nature05117
A.A. Serga, V.S. Tiberkevich, C.W. Sandweg, V.I. Vasyuchka, D.A. Bozhko, A.V. Chumak, T. Neumann, B. Obry, G.A. Melkov, A.N. Slavin, B. Hillebrands. Bose-Einstein condensation in an ultra-hot gas of pumped magnons. Nat. Commun. 5, 3452 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms4452
A.I. Bugrij, V.M. Loktev. On the theory of Bose-Einstein condensation of quasiparticles: On the possibility of condensation of ferromagnons at high temperatures. Low Temp. Phys. 33, 37 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2409633
S.M. Rezende. Theory of coherence in Bose-Einstein condensation phenomena in a microwave-driven interacting magnon gas. Phys. Rev. B 79, 174411 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.174411
Y.M. Bunkov, V.L. Safonov. Magnon condensation and spin superfluidity. J. Magn. Magn. Mater. 452, 30 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.12.029
D.A. Bozhko, A.A. Serga, P. Clausen, V.I. Vasyuchka, F. Heussner, G.A. Melkov, A. Pomyalov, V.S. L'vov, B. Hillebrands. Supercurrent in a room-temperature Bose-Einstein magnon condensate. Nat. Phys. 12, 1057 (2016). https://doi.org/10.1038/nphys3838
P. Nowik-Boltyk, O. Dzyapko, V.E. Demidov, N.G. Berloff, S.O. Demokritov. Spatially non-uniform ground state and quantized vortices in a two-component Bose-Einstein condensate of magnons. Sci. Rep. 2, 482 (2012). https://doi.org/10.1038/srep00482
D.A. Bozhko, A.J.E. Kreil, H.Yu. Musiienko-Shmarova, A.A. Serga, A. Pomyalov, V.S. L'vov, B. Hillebrands. Bogoliubov waves and distant transport of magnon condensate at room temperature. Nat. Commun. 10, 2460 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10118-y
A.V. Chumak, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga, B. Hillebrands. Magnon spintronics. Nat. Phys. 11, 453 (2015). https://doi.org/10.1038/nphys3347
K. Nakata, K.A. van Hoogdalem, P. Simon, D. Loss. Josephson and persistent spin currents in Bose-Einstein condensates of magnons. Phys. Rev. B 90, 144419 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.144419
K. Nakata, P. Simon, D. Loss. Magnon transport through microwave pumping. Phys. Rev. B 92, 014422 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.014422
H. Skarsv?ag, C. Holmqvist, A. Brataas. Spin superfluidity and long-range transport in thin-film ferromagnets. Phys. Rev. Lett. 115, 237201 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.237201
V.I. Sugakov. Formation of new phase inclusions in the system of quasiequilibrium magnons of high density. Phys. Rev. B 94, 014407 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.014407
B. Flebus, S.A. Bender, Y. Tserkovnyak, R.A. Duine. Two-fluid theory for spin superfluidity in magnetic insulators. Phys. Rev. Lett. 116, 117201 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.117201
V. Tiberkevich, I.V. Borisenko, P. Nowik-Boltyk, V.E. Demidov, A.B. Rinkevich, S.O. Demokritov, A.N. Slavin. Excitation of coherent second sound waves in a dense magnon gas. Sci. Rep. 9, 9063 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-44956-z
C. Safranski, I. Barsukov, H.K. Lee, T. Schneider, A.A. Jara, A. Smith, H. Chang, K. Lenz, J. Lindner, Y. Tserkovnyak, M. Wu, I.N. Krivorotov. Spin caloritronic nano-oscillator. Nat. Commun. 8, 117 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00184-5
M. Schneider, T. Br?acher, V. Lauer, P. Pirro, D.A. Bozhko, A.A. Serga, H.Yu. Musiienko-Shmarova, B. Heinz, Q. Wang, T. Meyer, F. Heussner, S. Keller, E.Th. Papaioannou, B. L?agel, T. L?ober, V.S. Tiberkevich, A.N. Slavin, C. Dubs, B. Hillebrands, A.V. Chumak. Bose-Einstein condensation of quasi-particles by rapid cooling. arXiv:1612.07305v2 (2018).
D.A. Bozhko, P. Clausen, G.A. Melkov, V.S. L'vov, A. Pomyalov, V.I. Vasyuchka, A.V. Chumak, B. Hillebrands, A.A. Serga. Bottleneck accumulation of hybrid magnetoelastic bosons. Phys. Rev. Lett. 118, 237201 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.237201
V. Cherepanov, I. Kolokolov, V. L'vov. The saga of YIG: Spectra, thermodynamics, interaction and relaxation of magnons in a complex magnet. Phys. Rep. - Rev. Sec. Phys. Lett. 229, 81 (1993). https://doi.org/10.1016/0370-1573(93)90107-O
L. Mihalceanu, V.I. Vasyuchka, D.A. Bozhko, T. Langner, A.Yu. Nechiporuk, V.F. Romanyuk, B. Hillebrands, A.A. Serga. Temperature-dependent relaxation of dipole-exchange magnons in yttrium iron garnet films. Phys. Rev. B 97, 214405 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.214405
A.A. Serga, C.W. Sandweg, V.I. Vasyuchka, M.B. Jungfleisch, B. Hillebrands, A. Kreisel, P. Kopietz, M.P. Kostylev. Brillouin light scattering spectroscopy of parametrically excited dipole-exchange magnons. Phys. Rev. B 86, 134403 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.134403
T. Neumann, A.A. Serga, V.I. Vasyuchka, B. Hillebrands. Field-induced transition from parallel to perpendicular parametric pumping for a microstrip transducer. Appl. Phys. Lett. 94, 192502 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3130088
A.G. Gurevich, G.A. Melkov, Magnetization oscillations and waves (CRC Press, 1996) [ISBN: 9780849394607].
G.A. Melkov, A.A. Serga, A.N. Slavin, V.S. Tiberkevich, A.N. Oleinik, A.V. Bagada. Parametric interaction of magnetostatic waves with a nonstationary local pump. J. Exp. Theor. Phys. 89, 1189 (1999). https://doi.org/10.1134/1.559071
V. Demidov, O. Dzyapko, S. Demokritov, G. Melkov, A. Slavin. Thermalization of a parametrically driven magnon gas leading to Bose-Einstein condensation. Phys. Rev. Lett. 99, 037205 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.037205
J. Hick, T. Kloss, P. Kopietz. Thermalization of magnons in yttrium-iron garnet: Nonequilibrium functional renormalization group approach. Phys. Rev. B 86, 184417 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.184417
P. Clausen, D.A. Bozhko, V.I. Vasyuchka, B. Hillebrands, G.A. Melkov, A.A. Serga. Stimulated thermalization of a parametrically driven magnon gas as a prerequisite for Bose-Einstein magnon condensation. Phys. Rev. B 91, 220402 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.220402
V.E. Demidov, O. Dzyapko, M. Buchmeier, T. Stockhoff, G. Schmitz, G.A. Melkov, S.O. Demokritov. Magnon kinetics and Bose-Einstein condensation studied in phase space. Phys. Rev. Lett. 101, 257201 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.257201
D.A. Bozhko, P. Clausen, A.V. Chumak, Y.V. Kobljanskyj, B. Hillebrands, A.A. Serga. Formation of Bose-Einstein magnon condensate via dipolar and exchange thermalization channels. Low Temp. Phys. 41, 801 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4932354
S.O. Demokritov, B. Hillebrands, A.N. Slavin. Brillouin light scattering studies of confined spin waves: linear and nonlinear confinement. Phys. Rep. 348, 441 (2001). https://doi.org/10.1016/S0370-1573(00)00116-2
C.W. Sandweg, M.B. Jungfleisch, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga, P. Clausen, H. Schultheiss, B. Hillebrands, A. Kreisel, P. Kopietz. Wide-range wavevector selectivity of magnon gases in Brillouin light scattering spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 81, 073902 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3454918
A.V. Lavrinenko, V.S. L'vov, G.A. Melkov, V.B. Cherepanov. "Kinetic" instability of a strongly nonequilibrium system of spin waves and tunable radiation of a ferrite. Sov. Phys. JETP 54, 542 (1981).
G.A. Melkov, S.V. Sholom. Kinetic instability of spin waves in thin ferrite films. Sov. Phys. JETP 72, 341 (1991).
A.J.E. Kreil, D.A. Bozhko, H.Yu. Musiienko-Shmarova, V.I. Vasyuchka, V.S. L'vov, A. Pomyalov, B. Hillebrands, A.A. Serga. From kinetic instability to Bose-Einstein condensation and magnon supercurrents. Phys. Rev. Lett. 121 077203 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.077203
V.V. Danilov, D.L. Lyfar', Yu.V. Lyubon'ko, A.Yu. Nechiporuk, S.M. Ryabchenko. Low-temperature ferromagnetic resonance in epitaxial garnet films on paramagnetic substrates. Sov. Phys. Journal 32, 276 (1989). https://doi.org/10.1007/BF00897267
I. Boventer, M. Pfirrmann, J. Krause, Y. Sch?on, M. Kl?aui, M. Weides. Complex temperature dependence of coupling and dissipation of cavity magnon polaritons from millikelvin to room temperature. Phys. Rev. B 97, 184420 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.184420
S. Kosen, A.F. van Loo, D.A. Bozhko, L. Mihalceanu, A.D. Karenowska. Microwave magnon damping in YIG films at millikelvin temperatures. arXiv: 1903.02527 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5115266
A.J.E. Kreil, H.Yu. Musiienko-Shmarova, D.A. Bozhko, S. Eggert, A.A. Serga, B. Hillebrands, A. Pomyalov, V.S. L'vov. Tunable space-time crystal in room-temperature magnetodielectrics. Phys. Rev. B Rapid Commun. (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.020406
V.V. Danilov, A.Yu. Nechiporuk, L.V. Chevnyuk. Temperature dependences of paramagnetic excitation threshold and relaxation parameter of spin waves in garnet structures. Low Temp. Phys. 22, 802 (1996).
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
