进展 | 磁子阻塞效应和磁子趋肤效应的研究进展自旋波或磁子(Magnon)

自旋波或磁子(Magnon) ，作为磁有序系统的集体元激发，可避免用电流来传导自旋角动量，为开发后摩尔时代的非易失、低能耗、高速度、小尺寸新型微电子器件提供了广阔的发展空间。针对磁子产生、输运、调控的磁子学(Magnonics) ，目前已成为自旋电子学的最新发展方向和凝聚态物理的一个新兴分支学科。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室M02课题组韩秀峰研究员团队，近几年相继成功研制出核心结构为磁性绝缘体(MI)/间隔层(Spacer)/磁性绝缘体(MI)的磁子阀(YIG/Au/YIG) [ PRL 120(2018) 097205]和磁子结(YIG/NiO/YIG)[PRB 98(2018) 134426]以及兼具磁子发生器和磁子探测器双重功能的磁电隔离器(Pt/YIG/Pt)[PRB 93 (2016) 060403(R)]等关键元器件，旨在借助纯电学的调控方法和磁结构的变化来有效调控磁子的产生与输运，实现了对磁子流100%的传输开关比。因此，进一步深入理解非相干或相干磁子在完全电绝缘磁子结中的输运性质，成为今后开发实用型磁子器件和电路的关键物理基础。最近， M02组博士生严政人、万蔡华副研和韩秀峰研究员开发了原子尺度自旋动力学程序包，探讨了磁子结中热磁子的输运行为。理论计算结果重现了磁子结效应(Magnon Junction Effect, MJE) ，即当两铁磁体磁矩呈平行(或反平行)态时，磁子的透射率为有限非零值(或零值) 。进一步的分析显示磁子结效应起源于自旋波的圆偏振特性：自旋向上(下)的铁磁体只能激发并传播右(左)旋圆偏振的自旋波。因此，自旋向上磁体中激发的右旋偏振自旋波，通过自旋向下的临近磁性层时，会被堵塞在界面处，该机制命名为磁子阻塞效应(Magnon Blocking Effect, MBE) 。它阐明了磁子结具有高开关比的物理起源，在物理机制层面证实了磁子结等相关新型磁子器件在信息处理和存储领域具有重大的潜在应用价值[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] 。为了进一步展示自旋波偏振特性导致的散射行为的细节， M02组的博士生严政人和邢耀文及韩秀峰研究员，基于磁子的薛定谔方程，进一步理论研究了人工反铁磁异质结中单色相干自旋波的散射现象。结果显示，当一束交换自旋波从自旋向上的铁磁层射入自旋向下的铁磁层，自旋波的波幅会以e指数衰减，并且随着入射波频率的增加，衰减波的衰减长度逐渐减小，即高频自旋波只能被限制在自旋向下铁磁层的表面薄层而无法在体内传播。该现象与电磁波从空气进入金属时的趋肤效应异曲同工，故取名为磁子趋肤效应(Magnonic Skin Effect, MSE) 。产生磁子趋肤效应的机制是自旋方向锁定的自旋波偏振特性，即自旋向上(向下)的铁磁体只能传播右旋(左旋)圆偏振的自旋波，因此入射自旋波只能以衰减波的形式穿透有限深度后被全部反射。由于磁子趋肤效应的存在，自旋波的有效反射点相对入射点会发生移动，产生磁子古斯汉森位移效应(Magnonic Goos-Hanchen Shift Effect, MGSE) 。该工作揭示了自旋波的类光学属性，为新型磁子器件(如磁子滤波器、磁子透镜、磁子激光器等器件)的研发奠定了物理基础。相关工作以快报(Letter)形式发表在《物理评论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] 。

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图1. 左图：磁子结的构造和磁子阻塞效应(MBE)示意图；(a)不同磁结构时磁子浓度的空间分布；(b)通道分辨的磁子浓度空间分布；磁子结在平行态(c)和反平行态(d)下的磁子输运示意图，磁矩方向相反的界面发生磁子阻塞效应，磁矩方向相同的界面磁子可以部分透射。右图：磁子趋肤效应(MSE)示意图。介质1(2)的磁矩方向沿+z(-z)方向，允许右(左)旋圆偏振自旋波的传播。当自旋波从右旋介质1进入左旋介质2时，介质2中的波为衰减波，其衰减长度为Ld 。(b)自旋波从YIG进入GdIG时， Ld随频率ω和入射角θi的变化。(c)自旋波从GdIG进入YIG时， Ld随频率ω和入射角θi的变化。综上所述，上述理论研究结果清晰表明了磁子结等器件对相干/非相干磁子的高效调控源于磁子或自旋波本身在磁性材料中的固有旋性，这一发现夯实了纯磁子器件高效调控磁子输运的物理基础，为开发纯磁子型存储和逻辑等器件开拓了新的发展方向和技术路线。相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的经费支持[NSFC51831012; MOST 2017YFA0206200, 2016YFA0300802; XDB33000000, QYZDJ-SSW-SLH016,112111KYSB20170090] 。