Spin waves are waves of spin precession in ferromagnet or anti-ferromagnet, which transfer angular momentum via an interaction between the neighboring spins. Because of the transfer of spin angler momentum without charge current, the spin waves are expected as a key ingredient of new device suppressing energy loss and joule heat. Many theoretical studie for the spin waves are developed. However, a non-local theory for the dipole-exchange spin waves due to the exchange interaction and the dipole-dipole interaction is only a few.
In this study, we develop a non-local theory for the dipole-exchange spin waves based on the density matrix for the spin waves and the Green’s function for electro-magnetic field. A magnetic field at a point P induces a spin wave at the point. The spin wave transports in the ferromagnet and modifies a magnetization at another point P’. This response can be represented by a non-local susceptibility. The modification of magnetization at point P’ results in a radiative magnetic field that is described by the Green’s function. We formulate these two non-local responses self-consistently. We discuss an experimental situation when the non-local response is significant and the properties of dipole-exchange spin waves at the situation.
スピン波とは、スピンの歳差運動がスピン間の相互作用を介して周りのスピンに伝わっていく現象である。スピン波は電流を伴わずスピン角運動量を伝播することができるので、ジュール熱によるエネルギーの損失を抑えたデバイスへの応用が期待される。スピン波について多様な研究が進められているが、交換相互作用と磁気双極子相互作用の両方を取り入れた双極子－交換スピン波に関する非局所理論はまだ不十分である。
本研究では、スピン波の固有関数を用いた密度行列と電磁場のGreen関数を用いることで双極子－交換スピン波の非局所理論を構築する。ある点Pの磁場がスピン波を誘起する。スピン波は磁性体中を伝搬して別の点P’の磁化を変化させる。これは非局所感受率として記述できる。さらに、その点P’の磁化変化に起因してグリーン関数で記述される磁場の輻射成分が現れる。これを自己無撞着なスピン波応答として定式化する。構築した理論から非局所応答が重要となる実験状況、その際のスピン波の特性を議論する。