自旋波或磁子(Magnon)，作為磁有序系統的集體元激發，可避免用電流來傳導自旋角動量，為開發後摩爾時代的非易失、低能耗、高速度、小尺寸新型微電子器件提供了廣闊的發展空間。針對磁子產生、輸運、調控的磁子學(Magnonics)，目前已成為自旋電子學的最新發展方向和凝聚態物理的一個新興分支學科。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室M02課題組韓秀峰研究員團隊，近幾年相繼成功研製出核心結構為磁性絕緣體(MI)/間隔層(Spacer)/磁性絕緣體(MI)的磁子閥(YIG/Au/YIG) [ PRL 120(2018) 097205]和磁子結(YIG/NiO/YIG)[PRB 98(2018) 134426]以及兼具磁子發生器和磁子探測器雙重功能的磁電隔離器(Pt/YIG/Pt)[PRB 93 (2016) 060403(R)]等關鍵元器件，旨在藉助純電學的調控方法和磁結構的變化來有效調控磁子的產生與輸運，實現了對磁子流100%的傳輸開關比。因此，進一步深入理解非相干或相干磁子在完全電絕緣磁子結中的輸運性質，成為今後開發實用型磁子器件和電路的關鍵物理基礎。
最近，M02組博士生嚴政人、萬蔡華副研和韓秀峰研究員開發了原子尺度自旋動力學程式包，探討了磁子結中熱磁子的輸執行為。理論計算結果重現了磁子結效應(Magnon Junction Effect, MJE)，即當兩鐵磁體磁矩呈平行(或反平行)態時，磁子的透射率為有限非零值(或零值)。進一步的分析顯示磁子結效應起源於自旋波的圓偏振特性：自旋向上(下)的鐵磁體只能激發並傳播右(左)旋圓偏振的自旋波。因此，自旋向上磁體中激發的右旋偏振自旋波，透過自旋向下的臨近磁性層時，會被堵塞在介面處，該機制命名為磁子阻塞效應(Magnon Blocking Effect, MBE)。它闡明瞭磁子結具有高開關比的物理起源，在物理機制層面證實了磁子結等相關新型磁子器件在資訊處理和儲存領域具有重大的潛在應用價值[Z. R. Yan,C. H. Wan, and X. F. Han, Magnon Blocking Effect in an Antiferromagnet-Spaced Magnon Junction, Phys. Rev. Appl. 14(2020) 044053]。
為了進一步展示自旋波偏振特性導致的散射行為的細節，M02組的博士生嚴政人和邢耀文及韓秀峰研究員，基於磁子的薛定諤方程，進一步理論研究了人工反鐵磁異質結中單色相干自旋波的散射現象。結果顯示，當一束交換自旋波從自旋向上的鐵磁層射入自旋向下的鐵磁層，自旋波的波幅會以e指數衰減，並且隨著入射波頻率的增加，衰減波的衰減長度逐漸減小，即高頻自旋波只能被限制在自旋向下鐵磁層的表面薄層而無法在體內傳播。該現象與電磁波從空氣進入金屬時的趨膚效應異曲同工，故取名為磁子趨膚效應(Magnonic Skin Effect, MSE)。產生磁子趨膚效應的機制是自旋方向鎖定的自旋波偏振特性，即自旋向上(向下)的鐵磁體只能傳播右旋(左旋)圓偏振的自旋波，因此入射自旋波只能以衰減波的形式穿透有限深度後被全部反射。由於磁子趨膚效應的存在，自旋波的有效反射點相對入射點會發生移動，產生磁子古斯漢森位移效應(Magnonic Goos-Hanchen Shift Effect, MGSE)。該工作揭示了自旋波的類光學屬性，為新型磁子器件(如磁子濾波器、磁子透鏡、磁子鐳射器等器件)的研發奠定了物理基礎。相關工作以快報(Letter)形式發表在《物理評論B》上[Z. R. Yan, Y. W. Xing,and X. F. Han, Magnonic skin effect and magnon valve effect in an antiferromagnetically coupled hetero junction, Phys. Rev. B 104(2021) L020413]。
圖1. 左圖：磁子結的構造和磁子阻塞效應(MBE)示意圖；(a)不同磁結構時磁子濃度的空間分佈；(b)通道分辨的磁子濃度空間分佈；磁子結在平行態(c)和反平行態(d)下的磁子輸運示意圖，磁矩方向相反的介面發生磁子阻塞效應，磁矩方向相同的介面磁子可以部分透射。右圖：磁子趨膚效應(MSE)示意圖。介質1(2)的磁矩方向沿+z(-z)方向，允許右(左)旋圓偏振自旋波的傳播。當自旋波從右旋介質1進入左旋介質2時，介質2中的波為衰減波，其衰減長度為Ld。(b)自旋波從YIG進入GdIG時，Ld隨頻率ω和入射角θi的變化。(c)自旋波從GdIG進入YIG時，Ld隨頻率ω和入射角θi的變化。
綜上所述，上述理論研究結果清晰表明了磁子結等器件對相干/非相干磁子的高效調控源於磁子或自旋波本身在磁性材料中的固有旋性，這一發現夯實了純磁子器件高效調控磁子輸運的物理基礎，為開發純磁子型儲存和邏輯等器件開拓了新的發展方向和技術路線。
相關工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院有關專案的經費支援[NSFC51831012; MOST 2017YFA0206200, 2016YFA0300802; XDB33000000, QYZDJ-SSW-SLH016,112111KYSB20170090]。
編輯：Norma、yrLewis
