К теории бозе-эйнштейновской конденсации квазичастиц: о возможности конденсации ферромагнонов при высоких температурах

Abstract

Рассмотрена бозе-конденсация магнонов в тонких ферромагнитных пленках как физических системах конечного размера. Показано, что в соответствии с современными экспериментальными возможностями, позволяющими достигать в таких пленках плотностей длинноволновых спиновых возбуждений ~ 10¹⁸–10¹⁹ см⁻³, формирование когерентного конденсата этих квазичастиц наступает уже при температурах T ~ 10² K (включая комнатные). Установлено, что бозе-конденсация сопровождается явлением скейлинга, согласно которому основной термодинамической переменной оказывается не число частиц N, а отношение N/T. Последнее свидетельствует, что наблюдать бозе-конденсацию магнонов можно при относительно низких их плотностях (и, соответственно, накачках). Проанализированы роли формы спектра спин-волновых возбуждений и толщины пленки для наблюдения фазового перехода в состояние с бозе-конденсатом, а также парциальные вклады разных групп квазичастиц в полное спектральное распределение магнонов по энергиям.

Розглянуто бозе-конденсацію магнонів у тонких феромагнітних плівках як фізичних системах скінченого розміру. Показано, що у відповідності з сучасними експериментальними можливостями, що дозволяють досягати у таких плівках густин довгохвильових спінових збуджень ~ 10¹⁸–10¹⁹ см⁻³, формування когерентного конденсату цих квазічастинок наступає вже при температурах T ~ 10² K (включаючи кімнатні). Встановлено, що бозе-конденсація супроводжується явищем скейлінгу, згідно з яким основною термодинамічною змінною виявляється не число частинок N, а відношення N/T. Останнє свідчить, що спостерігати бозе-конденсацію магнонів можна при відносно низьких їх густинах (та, відповідно, накачках). Проаналізовано ролі форми спектра спін-хвильових збуджень і товщини плівки для спостереження фазового переходу у стан з бозе-конденсатом, а також парціальні внески від різних груп квазічастинок у повний спектральний розподіл магнонів за енергією.

The Bose–Einstein condensation of magnons in thin ferromagnetic films as the physical systems of a finite size is considered. It is shown that in accordance with the contemporary experimental potentialities which allow us to achieve spin-wave excitation concentrations 1018–1019 cm–3 in such films, the coherent condensate formation of these quasi-particles begins at temperatures T ~ 10² K (including room ones). It is established that the Bose-condensation is accompanied by scaling by which the main thermodynamic variable proves to be not the particle number N, but the ratio N/T. The latter demonstrates that the Bose-condensation of magnons can be observed at their rather low concentration (and also pumping). The roles of spin-excitation spectrum shape and film thickness for the phase transition into the state with the Bose-condensate, and the partial contributions from different quasi-particle groups into the total (observed) magnon energy distribution curve are analyzed.