Ett team av forskare vid Utrecht University, norska universitetet för naturvetenskap och teknologi och universitetet i Konstanz har nyligen föreslagit en ny metod för att bestämma magnon-koherens i solid-state-enheter. Deras studie, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att korskorrelationer av rena spinnströmmar som injiceras av en ferromagnet i två metallledningar normaliserade med deras likströmsvärde replikerar beteendet hos den andra ordningens optiska koherensfunktion, kallas g ⁽²⁾ , när magnoner drivs långt från jämvikt.

"Tänk på ett stort rum fullt av människor som har en fest, "Akash Kamra, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dessa människor kan antingen bete sig som på en nattklubb, stöter på varandra på ett okoordinerat sätt och med kaotiska rörelser, eller så kan festfolket styras av en gemensam värd, som på en bröllopsfest. En sådan "förtätad" skara människor rör sig snabbt utan att stöta på varandra."

Kamra drar en analogi mellan de partisituationer han beskrev och magnoner, kvantpartiklar som motsvarar en specifik minskning av magnetisk styrka, färdas som en enhet genom ett magnetiskt ämne. I sin analogi, en okoordinerad "fest" skulle inträffa om magnoner är i ett "termiskt" tillstånd, medan en koordinerad om de är i ett "koherent" eller "kondenserat" tillstånd. Den samordnade rörelsen av gäster i den andra typen av fest, å andra sidan, skulle motsvara ett superfluidflöde, vilket är en manifestation av ett anmärkningsvärt tillstånd av materia:kondensatet.

"Av flera grundläggande vetenskapliga och tekniska skäl, Magnon-kondensatet är en spännande och värdefull enhet, och det huvudsakliga genombrottet för vår uppsats är att vi föreslår en metod för att otvetydigt upptäcka det, sa Kamra.

Om man skulle öppna två dörrar till ett stort rum som innehåller massor av människor och hålla reda på hur många personer som lämnar rummet via varje dörr inom ett givet tidsfönster, hon skulle kunna identifiera vilket tillstånd dessa människor befinner sig i. Med andra ord, genom att jämföra statistik över människor som går ut från båda dörrarna, man skulle kunna avgöra om personerna beter sig på ett okoordinerat eller samordnat sätt.

"Anmärkningsvärt och kontraintuitivt, detta kan inte uppnås med en dörr, " Kamra förklarade. "Det är här analogin mellan magnoner (kvantpartiklarna av spinnvågor i magneter) och människor med nödvändighet kommer till korta:magnoner följer kvantvärldens konstiga lagar och följer inte reglerna i vår klassiska, vardagens rike."

Kamras och hans kollegors arbete var inspirerat av ett klassiskt experiment med fotoner, kvantpartiklarna som utgör ljus, där fotoner från samma ljusstråle detekteras på två olika platser. Genom att jämföra statistiken över detektionstider för dessa fotoner på två platser kan forskare få direkt information om ljusstrålens tillstånd (dvs. identifiera om den är termisk eller koherent).

"Vårt mål var att hitta och föreslå ett liknande sätt att detektera om en magnonstråle är koherent eller inte, " sa Kamra. "Att hantera ett helt annat medium (ett magnetiskt material för magnoner i motsats till ledigt utrymme för ljus), vi lyckades identifiera ett experimentellt genomförbart sätt att uppnå denna magnon-koherensdetektering via mätning av spinnströmkorskorrelationer."

Forskarna föreslår gränssnitt mot ett magnetiskt lager, som är värd för magnoner, med två distinkta omagnetiska metallkablar. Magnonerna injicerar spinnström i båda metallledningarna, som kan upptäckas via tillhörande, invers spin Halleffektmedierad laddningsström.

"Vi föreslår att man mäter likströmsspinnströmmarna i de två ledningarna förutom korskorrelationen mellan de två spinnströmmarna, ", sa Kamra. "Ett förhållande av korskorrelationen till produkten av de två spinnströmmarna kommer ut att vara 1 för ett perfekt koherent magnonsystem. När förhållandet avviker från 1, det fungerar som ett mått på och gör det möjligt att kvantifiera koherensen i magnonsystemet."

Det viktigaste fyndet som Kamra och hans kollegor samlat in är att den väletablerade mekanismen och metoden för att detektera koherensen hos en ljusstråle faktiskt fungerar för helt andra kvantpartiklar, såsom magnoner, också. När man tillämpar denna metod på magnoner, dock, man bör tänka på det faktum att system som är värd för dessa partiklar vanligtvis är mycket små (mindre än en millimeter långa) jämfört med ljusstrålar, som vanligtvis sträcker sig över flera meter eller kilometer.

"Med tanke på denna distinktion, vi har föreslagit en metod för att använda spinnströmkorskorrelationer för koherensdetektering, ", sa Kamra. "Vårt arbete visar också att samma aktuella korskorrelationsidé kan användas för att mäta koherens för hela skalan av bosoniska excitationer, såsom fononer och excitoner, i solid state-system, öppnar spännande perspektiv för flera forskningsgrupper."

Resultaten som samlats in av forskarna är ett betydande bidrag till kvantmagnonic, ett studieområde som försöker utforska och utnyttja magnonernas kvantnatur. Att uppnå en så robust detektering av magnonkoherens är ett stort steg framåt, eftersom det skulle kunna bana väg för utveckling av koncept och enheter baserade på spinn-superströmmar och superfluiditet.

"Vårt nuvarande förslag är helt enkelt ett första litet fönster in i kvantmagnonics spännande värld, ", sa Kamra. "Det här fönstret visar hur man uppnår i magneter vad som redan har uppnåtts med ljus. Vi arbetar nu med att ytterligare utforska potentialen för korskorrelationstekniken och undersöka fenomen som går utöver ljusets standardbosoniska egenskaper."

© 2019 Science X Network