Probing GHz gravitational waves with graviton–magnon resonance
Asuka Ito, Tomonori Ikeda, Kentaro Miuchi, Jiro Soda
Abstract
Abstract A novel method for extending the frequency frontier in gravitational wave observations is proposed. It is shown that gravitational waves can excite a magnon. Thus, gravitational waves can be probed by a graviton–magnon detector which measures resonance fluorescence of magnons. Searching for gravitational waves with a wave length $$\lambda $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math> by using a ferromagnetic sample with a dimension l , the sensitivity of the graviton–magnon detector reaches spectral densities, around $$5.4 \times 10^{-22} \times (\frac{l}{\lambda /2\pi })^{-2} \ [\mathrm{Hz}^{-1/2}]$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>5.4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Hz</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> at 14 GHz and $$8.6 \times 10^{-21} \times (\frac{l}{\lambda /2\pi })^{-2} \ [\mathrm{Hz}^{-1/2}]$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>8.6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Hz</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> at 8.2 GHz, respectively.