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奇妙的自旋波-短波长自旋波及其在铁磁材料中远距离传播的突破

导语:

2018年2月21日,北京航空航天大学电子信息工程学院于海明教授组于《自然通讯(Nature Communications)》在线发表了题为“短波长自旋波的远距离传播(Long-distance propagation of short-wavelength spin waves)”的研究成果,利用铁磁金属纳米线阵列的动态偶极相互作用在钇铁石榴石薄膜材料中激发超短波长自旋波,其波长低至50 nm,传播距离可达60000 nm,工作得到了北航大数据与脑机智能高精尖中心、国家自然科学基金及“青年千人”项目的大力支持, 并得到北航电子信息工程学院赵巍胜教授、张有光教授等专家的指导和帮助,在该研究领域居国际先进水平,是北京航空航天大学自旋电子交叉学科研究中心2018年在《自然通讯(Nature Communications)》上发表的第2篇文章。
 

图:传播性超短波长自旋波激发谱及群速度

何为自旋

我们都知道电子有两种基本属性,质量与电性。人们无法利用质量,就在其电性上打起了主意,于是开启了我们当今的电气化时代。电荷沿同一方向运动形成电流,电流在流动时会产生热效应,降低我们对能量的利用效率。在摩尔定律统治下的这半个世纪,集成电路可容纳器件数的增长伴随着芯片单位面积发热功率的增加,在一些芯片密集应用领域,如存储、大规模计算等,如何降低芯片的发热从而提升性能和能量利用效率已经成为了人们研究的热点方向。

面临如上问题,电子鲜为人知的第三种属性——自旋就派上了用场。所有微观粒子都存在自旋,而电子的自旋刚好是1/2,这样在外加磁场的作用下就能使电子在两种自旋状态间产生转换,两种自旋态正好能与二进制中的0和1对应,于是自旋便能在逻辑计算与存储领域里大放光彩。

自旋波可以在绝缘体中传播,不存在电荷流,因此没有热效应。以电子自旋研制的高密度低功耗器件与传统大功耗器件相比有着不可比拟的优势。基于自旋的巨磁电阻效应(GMR)在普通硬盘磁头中的应用使存储价格由最初的10000美元/MB下降到至10美元/MB,加之近些年的发展,一块标准的3.5寸硬盘已经有了10TB的容量,这在十多年前是无法想象的。

激发自旋波

于海明教授在瑞士洛桑联邦理工就开始从事自旋电子方向的研究,但相关领域在国内的发展还比较滞后,先进实验设备也对国内禁售。为尽快在国内开展研究,于海明教授在2014年来到北航后就开始了实验设备的搭建。其间克服了许多困难,历经两年时间终于搭建出了一套具有国际领先水平的全电学自旋波探测系统,这对于自旋波的研究至关重要。
 

图:全电学自旋波探测系统

激发超短波长的自旋波能够减小器件尺寸,提高集成度,同时短波长对应着更高的频率,自旋逻辑器件也会有更快的运算速度。但想要激发出短波长自旋波可不容易,实验过程中所需测量的自旋波频率最高超过了30GHz,这已经接近目前测量系统的极限,为了获得令人信服的结果,于教授的团队通过长时间的校准和调试才得到了清晰的自旋波信号,为之后的进一步理论分析打下了可靠的基础。

在实验的过程中于教授的团队选择了铁磁绝缘体钇铁石榴石薄膜材料,这种材料具有超低的阻尼系数,自旋波可在其中远距离传播,他们通过电子束曝光与离子束刻蚀的方法设计制备了铁磁金属纳米线阵列,并利用其动态偶极相互作用在钇铁石榴石薄膜中成功激发了短波长自旋波。

图:超短波长自旋波色散曲线

国际化团队

于海明教授的团队中有来自多个国家的博士生与博士后,这是一个年轻、富有创新精神的国际化研究团队。在这种不同文化交流与碰撞的环境下,于教授的学生能够学习不同文化的优秀习惯,在不断的沟通和探讨中迸发思维的火花。来自德国慕尼黑工业大学的Florian Heimbach博士与博士研究生Tobias Stückler就以他们研究问题时的严谨专注和对科研与日常生活时间的精确分配让刘传普博士与博士研究生陈济雷印象深刻。由于组员来自世界各地,英文便成为了组会的交流语言,这对他们与国际顶级科研团队保持密切的合作交流提供了纯天然的优势,在国际交流合作中不断取得国际同行的认可,国际影响力不断提升。
 

图:于海明教授的团队成员

结语:

2018年4月24日《物理评论快报(Physical Review Letters)》在线接收了于海明教授课题组题为“铁磁金属/绝缘体纳米结构中的强磁振子耦合(Strong interlayer magnon-magnon coupling in magnetic metal/insulator hybrid nanostructures)” 的研究成果,在国际上首次观测到了磁子-磁子间的强耦合作用,该发现将有助于在自旋波器件设计和应用方面实现突破。新成果的诞生离不开日积月累打下的良好基础,我们已经目睹了巨磁电阻效应的应用给人类带来的巨大财富,当前自旋电子的发展已经处于成熟期,我们有理由相信,在整个自旋电子研究中心的不断努力下,北航自旋电子的研究会取得更高水平的成果。

 

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03199-8

自旋电子研究中心:

http://iriglobal.buaa.edu.cn/team/ResearchGroupLaboratory/61338.htm
 

策划/文案:曹嘉辉

采访:李明珠,谭莉莎

设计:杨彦卓

鸣谢:电子信息工程学院

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn