江万军课题组在磁振子自旋电子学方面取得进展

2024年10月23日

       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(TM) 和角动量补偿温度 (TA)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(TM)和角动量补偿温度(TA)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TMTA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 < TMTM T < TA,以及T > TA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