Ultrafast Two-Magnon Excitation in Two-Dimensional Antiferromagnetic Insulators

Abstract

Spinneksitasjoner i todimensjonale antiferromagnetiske materialer manifesteres som spinnbølger som også er kjent som magnoner. Magnoner er bosoniske kvasipartikler som kan eksiteres ved hjelp av en laserindusert forstyrrelse av utvekslingsinteraksjonene mellom spinn, noe som tillater ultrarask generering og kontroll av disse partiklene. Dette kan potensielt utnyttes i høyhastisghetsprossessering av data. Jeg presenterer kvanteteorien for å beskrive dynamikken som følger av den optiske eksitasjonen og viser hvordan magnonene induserer oscillasjoner i den antiferromagnetiske Néel-vektoren som ikke kan forklares ved hjelp av semiklassisk teori. En forbindelse dras mellom operatorer som virker på magnonpar og gruppa SU(1,1), noe som gjør en representasjon av kvanttilstanden til magneten som et direkte produkt av Perelomovs koherente tilstander mulig. Effekten av romlige ikke-uniforme optiske eksitasjonsfelt blir studert ved hjelp av teknikkene som viste seg effektive for å beskrive eksitasjoner fra uniforme felt. Jeg diskuterer generaliseringa av den ordinære Bogoliubovtransformasjonen og benytter den på Hamiltonoperatoren som er et resultat av ikke-uniforme felt, før jeg presenterer hvordan øyeblikksapproksimasjonen potensielt kan benyttes til å numerisk finne kvantetilstanden til antiferromagneten etter eksitasjon fra lys med enhver mulig romlig variasjon i intensitet.

Spin excitations in two-dimensional antiferromagnetic materials take the form of spin waves that are more commonly referred to as magnons. Magnons are bosonic quasiparticles that can be excited by femtosecond laser-induced inhomogeneous perturbation of the exchange interaction between spins, allowing for ultrafast generation and control of these particles that have potential applications in high-speed information processing devices. I present the quantum theory for describing the dynamics triggered by the optical excitation and show how the magnons produce oscillations of the antiferromagnetic Néel vector that cannot be described using a semiclassical approach. A connection is drawn between operators that act on magnon pairs and the group SU(1,1), which enables the representation of the quantum state of the antiferromagnet as a direct product of Perelomov coherent states. The effect of using a spatially nonuniform optical field intensity for magnon excitation is then studied using the techniques that proved effective for describing excitation by uniform fields. I discuss the generalization of the standard Bogoliubov transformation and apply it to the Hamiltonian that results from nonuniform optical fields before I present how the sudden approximation could potentially be used to numerically obtain the quantum state of the antiferromagnet after excitation by light with any spatially varying intensity distribution.