Arbeitsgruppe Prof. Hillebrands

Magnon Gases and Condensates

In ferromagnetic materials atoms having unpaired electrons act as individual magnets. Their magnetism is mostly caused by the magnetic moments of the uncompensated electron spins. Since these atomic magnets tend to be oriented in the same direction due to quantum-mechanical exchange interaction, a macroscopic magnetic moment appears. As the atoms strongly interact, a reversal of a single atomic magnetic moment is not spatially localized but spreads through the solid as a wave of discrete magnetic momentum transfer. This wave is known as a spin wave, and in frame of second quantization it is associated with a quasi-particle named magnon. Weakly interacting magnons can be considered as a gas of magnetic bosonic quasi-particles and, therefore, this is referred to as a magnon gas.

Nowadays magnon gases are recognized as an excellent model environment for the experimental investigation of collective classical and quantum macroscopic properties of bosonic systems. Its potential is due to the wide controllability of the magnon density as well as of the spectral properties influencing the magnon-magnon interaction. For example, the dispersion branch of a magnon gas can be frequency shifted or otherwise modified by change in the strength or orientation of a bias magnetic field. The magnon population density can be effectively controlled by means of electro-magnetic parametric pumping (see Gurevich and Melkov, Magnetization Oscillation and Waves, CRC, Cleveland, 1996). In the simplest case one photon of the pumping electromagnetic field excites two magnons with half the energy/frequency that propagate in opposite directions. Such a mechanism creates a huge quantity of phase correlated magnons, which are called a condensate of photon-coupled magnon pairs. The behavior of parametrically created magnon condensates, of gaseous magnon phases, and of Bose-Einstein condensates (BEC), which can be formed at the lowest energy state of a magnon gas, constitutes a hot research topic. The main goal of our work is to study the phase transition processes resulting in the formation of quantum macroscopic states of a magnon gas and to understand the role of magnon-magnon and magnon-phonon interactions in the properties of these correlated states of matter in comparison with the dynamics of ultra-cold quantum gases and quantum spin systems. We investigate the dynamics of the magnon system in a low-damping magnetic insulator (yttrium-iron-garnet, YIG) using wavevector- and time-resolved Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy with special attention on the pump-free evolution of the magnetic medium after pumping. A focus lies on transport phenomena in magnon condensates including phase induced supercurrents.

In the following, please find an overview of our recent research in the field of magnon gases and condensates:

4.1 Formation of Bose-Einstein magnon condensate via dipolar and exchange thermalization channels (1.11 MB)

4.2 Magnon supercurrent in a magnon Bose-Einstein condensate subject to a thermal gradient (438 kB)

4.3 Stimulated thermalization of a parametrically driven magnon gas as a prerequesite for Bose-Einstein magnon condensation (2.93 MB)


Magnonengase und -kondensate

In ferromagnetischen Materialien treten Atome, die ungepaarte Elektronen haben, als einzelne elementare Magnete auf. Ihr Magnetismus wird in der Regel durch die magnetischen Momente des nicht kompensierten Elektronenspins verursacht. Diese atomaren Magnete richten sich häufig aufgrund der quantenmechanischen Austauschwechselwirkung in einem Ferromagneten parallel zueinander aus. Daher beobachtet man ein makroskopisches magnetisches Moment. Da die Atome stark miteinander wechselwirken, wird das Umklappen eines einzelnen atomaren magnetischen Moments nicht räumlich lokalisiert sein, sondern breitet sich als Welle mit einem diskreten magnetischen Moment über den gesamten Festkörper aus. Diese Welle wird als Spinwelle bezeichnet und ist im Rahmen der zweiten Quantisierung mit einem Quasiteilchen, dem sogenannten Magnon, verbunden. Schwach miteinander wechselwirkende Magnonen können als Gas von magnetischen bosonischen Quasiteilchen angesehen werden und werden daher auch als Magnonengas bezeichnet.

Magnonengase sind unlängst als hervorragendes Modellsystem erkannt worden und dienen zur Untersuchung von korrelierten bosonischen Systemen mit sowohl klassischen Eigenschaften als uch makroskopischen Quanteneigenschaften. Ihr Potenzial liegt dabei in der guten Kontrollierbarkeit der Magnonendichte und den Eigenschaften des Spektrums, welches die Magnon-Magnon-Wechselwirkung beeinflusst. Zum Beispiel kann durch die Änderung der Richtung oder der Stärke eines externen Magnetfelds das Spektrum des Magnonengases in der Frequenz verschoben oder auch stark verändert werden. Der wirkungsvollste Mechanismus, die Dichte eines Magnonengases zu erhöhen, ist parametrisches Pumpen mittels Mikrowellen (s. Gurevich and Melkov, Magnetization Oscillation and Waves, CRC, Cleveland, 1996). Im einfachsten Fall erzeugt ein Photon des elektromagnetischen Pumpfeldes zwei Magnonen mit je der Hälfte der Energie/Frequenz des Photons, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Dieser Mechanismus erzeugt eine große Anzahl von phasenkorrelierten Magnonen, ein sogenanntes Kondensat von photonengekoppelten Magnonenpaaren. Die Verhaltensweisen parametrisch erzeugter Magnonenkondensate, gasförmiger Magnonenzustände, und von magnonischen Bose-Einstein-Kondensaten (BEC), welche im Zustand niedrigster Energie des Magnonengases erzeugt werden können, bilden ein aktuelles Forschungsthema. Das Hauptziel unserer Forschung ist die Untersuchung der Phasenübergänge, die zu der Bildung von Zuständen mit makroskopischen Quanteneigenschaften in Magnonengasen führen, und das Verständnis der Funktion der Viel-Magnonen-Wechselwirkungen in diesen korrelierten Zuständen der Materie im Vergleich mit der Dynamik von ultrakalten Quantengasen und Quanten-Spinsystemen. Wir untersuchen die Dynamik des Magnonensystems in einem magnetischen Isolator mit niedriger Dämpfung (Yttrium-Eisen-Granat, YIG) mit Hilfe von wellenvektor- und zeitaufgelöster Brillouin-Lichtstreuspektroskopie mit besonderem Augenmerk auf die pumpfreie Entwicklung des magnetischen Mediums nach dem Pumpprozess. Die besondere Aufmerksamkeit konzentriert sich auf Transportphänomene in Magnonenkondensaten, die phaseninduzierte Supraströme einbeziehen.

Einen Überblick über die aktuellen Forschungsergebnisse unserer Gruppe auf dem Feld der Magnonengase und -kondensate geben die folgenden Jahresberichtsbeiträge:

4.1 Formation of Bose-Einstein magnon condensate via dipolar and exchange thermalization channels (1.11 MB)

4.2 Magnon supercurrent in a magnon Bose-Einstein condensate subject to a thermal gradient (438 kB)

4.3 Stimulated thermalization of a parametrically driven magnon gas as a prerequesite for Bose-Einstein magnon condensation (2.93 MB)


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