【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】日前，集成電路科學(xué)與工程學(xué)院于海明教授團(tuán)隊在新興交叉學(xué)科磁子學(xué)實驗研究方面取得突破性進(jìn)展。于海明教授帶領(lǐng)團(tuán)隊與合作者利用自旋波的干涉效應(yīng)，在反鐵磁材料中成功實現(xiàn)了純自旋流的手性(左、右手)調(diào)控，為利用自旋波作為信息載體的新型磁子學(xué)器件的發(fā)展提供了重要實驗基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果“Control of spin currents by magnon interference in a canted antiferromagnet”于2025年4月23日發(fā)表在Nature Physics(DOI: 10.1038/s41567-025-02819-7)。
自旋波(Spinwaves)是自旋的集體進(jìn)動模式，其量子化為磁子(Magnon)。磁子能夠在無焦耳熱耗散的情況下傳輸自旋信息，被視為下一代超低功耗新型磁子學(xué)器件的信息載體。反鐵磁絕緣體α-Fe2O3(近期也被歸類為交錯磁體)是Dzyaloshinskii和Moriya最早發(fā)現(xiàn)DM相互作用的材料之一，在室溫處于易面相，并具有極低的自旋阻尼因子(10-5)，是自旋波在通訊頻段應(yīng)用的理想材料。于海明課題組近年來在反鐵磁磁子學(xué)研究領(lǐng)域持續(xù)深耕，已取得系列重要成果：包括實現(xiàn)反鐵磁磁子的高速長距離傳輸[Phys. Rev. Lett. 130, 096701 (2023)]，以及通過全電學(xué)自旋波譜觀測到反鐵磁零能隙磁子模式[Phys. Rev. Lett. 134, 056701 (2025)]，并發(fā)表主題為《Perspectives on antiferromagneticmagnonics》的評論綜述[Sci.Bull.69,3324(2024)]。
圖1.a.反鐵磁自旋波示意圖。b.反鐵磁自旋波干涉調(diào)控自旋流手性概念圖
自旋流的調(diào)控是自旋電子學(xué)應(yīng)用的核心科學(xué)問題。在鐵磁材料中，由于時間反演對稱性破缺，自旋泵浦效應(yīng)產(chǎn)生的自旋流必為右手手性；而反鐵磁材料內(nèi)稟存在的兩個相反進(jìn)動手性亞磁矩，為實現(xiàn)自旋流手性調(diào)控提供了獨特優(yōu)勢。本研究在室溫條件下成功實現(xiàn)了α-Fe2O3中自旋流手性的精確調(diào)控。在實驗表征方面，研究團(tuán)隊采用具有高空間分辨率的布里淵光散射顯微技術(shù)(BLS)，直接觀測到反鐵磁自旋波干涉形成的空間周期性干涉條紋；利用逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)實現(xiàn)對左右手自旋流的有效區(qū)分，并探測到振蕩的正負(fù)逆自旋霍爾電壓。結(jié)合日本理化所Maekawa教授的理論分析，揭示了兩種線偏振磁子干涉產(chǎn)生不同手性磁子的機(jī)制，闡明其傳播過程中建立的相位延遲是決定自旋流手性發(fā)生交替變化的關(guān)鍵因素。
圖2a. ISHE探測器件。b.自旋流手性調(diào)控機(jī)制。c.頻域自旋波干涉條紋。d.自旋流手性的交替變化
這項研究通過反鐵磁材料中的自旋波干涉效應(yīng)，展示了高度可控的自旋流產(chǎn)生機(jī)制。研究團(tuán)隊不僅通過BLS技術(shù)捕捉到空間上的自旋波干涉條紋，并通過純自旋流的電學(xué)檢測實現(xiàn)了自旋流手性的識別。這種基于頻率調(diào)控自旋電流極化的方法，可通過頻率可調(diào)的磁子自旋扭矩實現(xiàn)納米磁體的磁矩可控翻轉(zhuǎn)。該研究成果為相干反鐵磁自旋電子學(xué)的發(fā)展開辟了新方向，顯著提升了磁子作為下一代信息處理與計算載體的應(yīng)用潛力。
圖3反鐵磁自旋波干涉的BLS空間域探測
北航集成電路學(xué)院2024屆博士畢業(yè)生盛路通(現(xiàn)深圳國際量子院助理研究員)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士生AnnaDuvakina、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)博士生王涵晨(北航集成電路學(xué)院2022屆碩士畢業(yè)生)、日本理化所Kei Yamamoto研究員，英國劍橋大學(xué)博士生袁潤東(北航高工學(xué)院2023屆本科畢業(yè)生)為本文共同第一作者，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Dirk Grundler教授和北航集成電路學(xué)院于海明教授為論文共同通訊作者，北京航空航天大學(xué)為第一單位。該工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、國家留學(xué)基金委、深圳量子科學(xué)與工程研究院等項目的支持。
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