We theoretically study a magnon–polariton in a dynamical inductor consisting of a coil and a bilayer of ferromagnetic insulator (FI) with perpendicular magnetization and a three-dimensional topological insulator (TI). Taking into account the coherent magnetic-dipole (Zeeman) interaction as well as the dissipative spin pumping effect on the FI/TI interface, we formulate a dynamical permeability of the FI/TI bilayer and calculate a corresponding electric admittance of an RLC-circuit. As a result, the spin pumping gives rise to a competitive effect on the modes hybridization, whereas a huge level repulsion due to the coherent coupling, which reaches the ultrastrong coupling regime, is found at room temperature for realistic parameter sets. Our work may open a new avenue for designing on-chip microwave devices based on a magnon–polariton in the RLC-circuit.
REFERENCES
1.
D. L.
Quirion
,
Y.
Tabuchi
,
A.
Gloppe
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
, Appl. Phys. Express
12
, 070101
(2019
).2.
A.
Barman
,
G.
Gubbiotti
,
S.
Ladak
,
A. O.
Adeyeye
,
M.
Krawczyk
,
J.
Gräfe
,
C.
Adelmann
,
S.
Cotofana
,
A.
Naeemi
,
V. I.
Vasyuchka
et al, J. Phys.: Condens. Matter
33
, 413001
(2021
).3.
H. Y.
Yuan
,
Y.
Cao
,
A.
Kamra
,
R. A.
Duine
, and
P.
Yan
, Phys. Rep.
965
, 26
(2022
).4.
B. Z.
Rameshti
,
S. V.
Kusminskiy
,
J. A.
Haigh
,
K.
Usami
,
D. L.
Quirion
,
Y.
Nakamura
,
C.-M.
Hu
,
H. X.
Tang
,
G. E.
Bauer
, and
Y. M.
Blanter
, Phys. Rep.
979
, 1–61
(2022
).5.
M.
Harder
,
B. M.
Yao
,
Y. S.
Gui
, and
C.-M.
Hu
, J. Appl. Phys.
129
, 201101
(2021
).6.
D.
Zhang
,
X.-Q.
Luo
,
Y.-P.
Wang
,
T.-F.
Li
, and
J. Q.
You
, Nat. Commun.
8
, 1368
(2017
).7.
D. L.
Quirion
,
S. P.
Wolski
,
Y.
Tabuchi
,
S.
Kono
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
, Science
367
, 425
(2020
).8.
J. A.
Haigh
,
A.
Nunnenkamp
,
A. J.
Ramsay
, and
A. J.
Ferguson
, Phys. Rev. Lett.
117
, 133602
(2016
).9.
X.
Zhang
,
C.-L.
Zou
,
N.
Zhu
,
F.
Marquardt
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
, Nat. Commun.
6
, 8914
(2015
).10.
R.-C.
Shen
,
Y.-P.
Wang
,
J.
Li
,
S.-Y.
Zhu
,
G. S.
Agarwal
, and
J. Q.
You
, Phys. Rev. Lett.
127
, 183202
(2021
).11.
B.
Yao
,
Y. S.
Gui
,
J. W.
Rao
,
Y. H.
Zhang
,
W.
Lu
, and
C.-M.
Hu
, Phys. Rev. Lett.
130
, 146702
(2023
).12.
N.
Kostylev
,
M.
Goryachev
, and
M. E.
Tobar
, Appl. Phys. Lett.
108
, 062402
(2016
).13.
G.
Flower
,
M.
Goryachev
,
J.
Bourhill
, and
M. E.
Tobar
, New J. Phys.
21
, 095004
(2019
).14.
I. A.
Golovchanskiy
,
N. N.
Abramov
,
V. S.
Stolyarov
,
M.
Weides
,
V. V.
Ryazanov
,
A. A.
Golubov
,
A. V.
Ustinov
, and
M. Y.
Kupriyanov
, Sci. Adv.
7
, eabe8638
(2021
).15.
I. A.
Golovchanskiy
,
N. N.
Abramov
,
V. S.
Stolyarov
,
A. A.
Golubov
,
M. Y.
Kupriyanov
,
V. V.
Ryazanov
, and
A. V.
Ustinov
, Phys. Rev. Appl.
16
, 034029
(2021
).16.
A. F.
Kockum
,
A.
Miranowicz
,
S. D.
Liberato
,
S.
Savasta
, and
F.
Nori
, Nat. Rev. Phys.
1
, 19
(2019
).17.
Y.
Ando
, J. Phys. Soc. Jpn.
82
, 102001
(2013
).18.
Y. G.
Semenov
,
X.
Duan
, and
K. W.
Kim
, Phys. Rev. B
82
, 161406(R)
(2012
).19.
T.
Chiba
and
T.
Komine
, Phys. Rev. Appl.
14
, 034031
(2020
).20.
T.
Liu
,
J.
Kally
,
T.
Pillsbury
,
C.
Liu
,
H.
Chang
,
J.
Ding
,
Y.
Cheng
,
M.
Hilse
,
R. E.
Herbert
,
A.
Richardella
,
N.
Samarth
, and
M.
Wu
, Phys. Rev. Lett.
125
, 017204
(2020
).21.
E.
Saitoh
,
M.
Ueda
,
H.
Miyajima
, and
G.
Tatara
, Appl. Phys. Lett.
88
, 182509
(2006
).22.
M. V.
Costache
,
M.
Sladkov
,
S. M.
Watts
,
C. H.
van der Wal
, and
B. J.
van Wees
, Phys. Rev. Lett.
97
, 216603
(2006
).23.
Y.
Shiomi
,
K.
Nomura
,
Y.
Kajiwara
,
K.
Eto
,
M.
Novak
,
K.
Segawa
,
Y.
Ando
, and
E.
Saitoh
, Phys. Rev. Lett.
113
, 196601
(2014
).24.
C.
Tang
,
Q.
Song
,
C.-Z.
Chang
,
Y.
Xu
,
Y.
Ohnuma
,
M.
Matsuo
,
Y.
Liu
,
W.
Yuan
,
Y.
Yao
,
J. S.
Moodera
et al, Sci. Adv.
4
, eaas8660
(2018
).25.
P. B.
Ndiaye
,
C. A.
Akosa
,
M. H.
Fischer
,
A.
Vaezi
,
E.-A.
Kim
, and
A.
Manchon
, Phys. Rev. B
96
, 014408
(2017
).26.
T.
Chiba
,
A. O.
Leon
, and
T.
Komine
, Appl. Phys. Lett.
118
, 252402
(2021
).27.
K.
Nomura
and
N.
Nagaosa
, Phys. Rev. B
82
, 161401(R)
(2010
).28.
T.
Chiba
,
S.
Takahashi
, and
G. E. W.
Bauer
, Phys. Rev. B
95
, 094428
(2017
).29.
Y. T.
Fanchiang
,
K. H. M.
Chen
,
C. C.
Tseng
,
C. C.
Chen
,
C. K.
Cheng
,
S. R.
Yang
,
C. N.
Wu
,
S. F.
Lee
,
M.
Hong
, and
J.
Kwo
, Nat. Commun.
9
, 223
(2018
).30.
A. E. L.
Allcca
,
X.-C.
Pan
,
I.
Miotkowski
,
K.
Tanigaki
, and
Y. P.
Chen
, Nano Lett.
22
, 8130
(2022
).31.
T.
Chiba
and
S.
Takahashi
, J. Appl. Phys.
126
, 245704
(2019
).32.
Y.
Kajiwara
,
K.
Harii
,
S.
Takahashi
,
J.
Ohe
,
K.
Uchida
,
M.
Mizuguchi
,
H.
Umezawa
,
H.
Kawai
,
K.
Ando
,
K.
Takanashi
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
, Nature
464
, 262
(2010
).33.
T.
Hirahara
,
S. V.
Eremeev
,
T.
Shirasawa
,
Y.
Okuyama
,
T.
Kubo
,
R.
Nakanishi
,
R.
Akiyama
,
A.
Takayama
,
T.
Hajiri
,
S.
Ideta
et al, Nano Lett.
17
, 3493
(2017
).34.
M.
Mogi
,
T.
Nakajima
,
V.
Ukleev
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
M.
Kawamura
,
K. S.
Takahashi
,
T.
Hanashima
,
K.
Kakurai
,
T.
Arima
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
, Phys. Rev. Lett.
123
, 016804
(2019
).35.
S.
Streib
,
H.
Keshtgar
, and
G. E. W.
Bauer
, Phys. Rev. Lett.
121
, 027202
(2018
).36.
L.
Bai
,
M.
Harder
,
Y. P.
Chen
,
X.
Fan
,
J. Q.
Xiao
, and
C.-M.
Hu
, Phys. Rev. Lett.
114
, 227201
(2015
).37.
V. L.
Grigoryan
,
K.
Shen
, and
K.
Xia
, Phys. Rev. B
98
, 024406
(2018
).38.
Y.-P.
Wang
,
J. W.
Rao
,
Y.
Yang
,
P.-C.
Xu
,
Y. S.
Gui
,
B. M.
Yao
,
J. Q.
You
, and
C.-M.
Hu
, Phys. Rev. Lett.
123
, 127202
(2019
).39.
P.
Kirton
,
M. M.
Roses
,
J.
Keeling
, and
E. G. D.
Torre
, Adv. Quantum Technol.
2
, 1800043
(2019
).40.
J.
Ding
,
C.
Liu
,
Y.
Zhang
,
U.
Erugu
,
Z.
Quan
,
R.
Yu
,
E.
McCollum
,
S.
Mo
,
S.
Yang
,
H.
Ding
,
X.
Xu
,
J.
Tang
,
X.
Yang
, and
M.
Wu
, Phys. Rev. Appl.
14
, 014017
(2020
).41.
C.
Tang
,
L.
Alahmed
,
M.
Mahdi
,
Y.
Xiong
,
J.
Inman
,
N. J.
McLaughlin
,
C.
Zollitsch
,
T. H.
Kim
,
C. R.
Du
,
H.
Kurebayashi
et al, arXiv:2301.09822 (2023
).42.
S.
Tomita
,
H.
Kurosawa
,
K.
Sawada
, and
T.
Ueda
, Phys. Rev. B
95
, 085402
(2017
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
