自旋电子学的研究核心是如何实现电子自旋的精准操控，以及自旋信息的存储、传输和处理。磁振子是量子化的自旋波集体激发，可以用来探测、操控自旋，也是当下量子磁学领域的研究热点之一。近日，清华大学物理系江万军课题组及其合作者，实验发现了补偿型亚铁磁材料的右手性和左手性的磁振子，并成功演示了左、右手性磁振子的电学产生和探测 (图1)。该研究成果以“Electrical excitation and detection of chiral magnons in a compensated ferrimagnetic insulator”为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

图1.补偿型亚铁磁材料中的磁振子手性在磁矩补偿温度(T_M) 和角动量补偿温度 (T_A)均发生改变。

       在传统铁磁材料中，由于电子带负电，自旋角动量方向与磁矩方向相反，决定了电子磁矩为右旋进动模式，铁磁材料中因此仅允许存在右手性磁振子。如何产生左旋手性磁振子，以及利用左、右手性磁振子的叠加，进一步实现线性磁振子，是研究磁振子量子物理与器件的核心内容。补偿型亚铁磁材料包含两套磁矩方向相反的磁次晶格，其净磁矩和净角动量之间可以呈现平行或反平行的构型，有望成为研究左、右手性磁振子的理想平台。但如何激发不同手性的磁振子，如何精准检测磁振子手性是亟需解决的科学问题。

       物理系江万军课题组通过前期材料优化，掌握了低阻尼亚铁磁石榴石材料生长和制备工艺[Chinese Physics B, 30, 097503 (2021)； Phys. Rev. Materials 7, 094401 (2023)]。在此基础上，课题组在石榴石/重金属 (Gd₃Fe₅O₁₂/Pt)双层膜中，开展了自旋轨道力矩驱动的磁共振(ST-FMR)实验(图2)，研究了磁振子手性随温度的演化行为，实现了对左、右手性磁振子的电学检测。该实验利用Pt中微波电流，以及在Gd₃Fe₅O₁₂/Pt双层膜中所产生的自旋轨道力矩效应，观察到了类阻尼力矩(damping-like torque)引起的对称线形信号，以及其在磁矩补偿温度(T_M)和角动量补偿温度(T_A)处的符号反转行为。通过对比Landau-Lifshitz-Gilbert方程的理论预测，课题组证实了类阻尼力矩电学信号的符号与磁振子手性之间的关联，同时证实了磁振子的手性反转起源于磁子晶格间的角动量补偿效应。课题组也对比研究了非补偿亚铁磁材料，发现其中仅能存在右旋磁振子的电学信号。由此印证了补偿亚铁磁体中的磁振子在T_M和T_A之间表现为左手性，而在其他温度范围内与铁磁材料相同，均表现为右手性磁振子。该项工作不但为电学激发，探测左、右手性磁振子提供了高效手段，同时也能在构筑磁振子量子器件的过程中发挥重要作用。

图2. (a) ST-FMR实验装置示意图。(b) 在T < T_M，T_M < T < T_A，以及T > T_A时从Gd₃Fe₅O₁₂/Pt双层膜中得到的ST-FMR电压信号。对称线形符号反转与磁振子手性反转直接相关，如插图所示。

       清华大学物理系博士后王乐栋、北京师范大学博士生沈来川为论文共同第一作者，通讯作者包括清华大学物理系江万军副教授、北京师范大学的沈卡教授。论文的合作者包括清华大学物理系博士生白昊、博士后周恒安（已出站）。该工作受到国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、量子科技创新计划和北京市自然科学基金的资助。

       论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.166705