具有PT对称性磁体中高阶奇异点的研究

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在日常生活中,从智能手机、机器人吸尘器到矿产和石油工业,再到航空磁力测量,磁力仪都是无处不在的。为解决各种物理和工程问题方面,如测量地球的弱磁场和勘探矿藏和地质结构,人们对具有极高灵敏性的磁力仪有很大需求。最近的研究结果表明,奇异点(EP)上的非厄米简并对外部扰动的非线性响应,可以为提高磁力仪的灵敏度提供一条新的路径。我们最近发表的一项工作[H.Yang et al.,Phys.Rev.Lett.121,197201(2018)]朝这个方向迈出了第一步,在具有PT对称性的铁磁双层中实现了二阶磁振子的奇异点。在本文中,我们将该思想推广到高阶情况,我们演示了奇异点附近,本征频率偏移服从外部扰动的1/N次幂,其中N是EP的阶数。本文构建了由增益、中性和(平衡的)损耗层组成的具有PT对称性的三层铁磁单自旋结构和三层薄膜结构,接下来,用Landau-Lifshitz-Gilbert方程得到单自旋模型的特征值方程,并得到三阶奇异点的条件。然后我们讨论在奇异点附近的灵敏性和铁磁-反铁磁的相变。首先,我们理论上计算具有PT对称性的三层单自旋结构中奇异点的存在条件以及在奇异点附近的磁灵敏性。通过调整层间耦合强度、外部磁场和增益损耗参数,可以观察到二阶和三阶铁磁共振奇异点。然后,考虑在增益层上施加微扰,我们分别演示了FMR、EP2和EP3附近对扰动的线性、平方根和立方根的响应,其中在EP3附近的灵敏度非常突出,约为3×10-14T/Hz1/2,与基于磁性隧道结的传统磁传感器相比,我们设计的灵敏度可以提高3个数量级。扰动施加在整个磁结构上也会引起EP3处特征频率的分裂,稍微特殊的是在EP2处,当微扰大于0时,即当扰动磁场和磁矩方向相同时,简并没有解除,EP2不会发生分裂。本文还考虑了统计噪声的影响,当信噪比大于1时,EP的高灵敏度还能稳定存在。其次,对于较大尺寸的材料,我们将单自旋模型扩展成三层铁磁薄膜模型,考虑自旋波的激发。我们发现EP3与波矢相关,并且所有自旋波模式下都会有二阶奇异点出现。对于一组给定的波矢(kx,ky),存在一个临界增益损耗参数c,超过这个临界参数,PT对称性被打破,会发生铁磁-反铁磁相变。临界增益损耗参数的最小值出现在布里渊区的边界处。若考虑中间层有阻尼m时,三阶奇异点会发生频率分裂,并且分频遵循?ωEP3∝αm1/3
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