近日，南方科技大学量子科学与工程研究院自旋波量子计算团队在自旋波电子学研究方向取得一系列重要进展。自旋波（其量子化称为“磁子”）可以在没有电荷移动的情况下传输自旋信息，进而从根本上避免了高密度集成电路中的焦耳热耗散，因此被认为是突破摩尔定律的下一代超低功耗计算与存储技术中的重要信息载体之一。在量子院俞大鹏院长的指导下，陈济雷助理研究员带领的自旋波量子计算团队长期致力于自旋波电子学（磁子学）的研究，近期两篇相关研究工作发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，一篇于近发表在《物理评论X》(Physical Review X)。

1）2023年1月发表在Physical Review Letters的“Nonlocal Detection of Interlayer Three-Magnon Coupling”（层间三磁子耦合的非局域探测）


工作利用自旋波（磁子）的非线性效应将一个磁子（磁子1）分裂成具有一半能量和相反动量的两个磁子（磁子2和磁子3）。这一过程被称作三磁子效应，通常发生在同一材料体系中。量子院陈济雷课题组与北航于海明教授（量子院访问学者）课题组、日本东北大学G. Bauer教授课题组等多家单位合作，在超低阻尼的铁磁绝缘体钇铁石榴石上加工钴铁硼纳米线，利用微波激发钴铁硼中的磁子（磁子1），再利用逆自旋霍尔效应对劈裂出的两个磁子（磁子2和磁子3）进行非局域的电学探测，并在保持线性动量守恒的情况下，首次观测到两种不同材料体系中的层间三磁子耦合同时为进一步研究基于磁子的量子纠缠效应提供了重要的实验基础。


图1 逆自旋霍尔效应探测层间三磁子耦合现象



该工作的共同第一作者为北航集成电路学院博士生（量子院访问学生）盛路通，日本东北大学M. Elyasi助理教授、南科大陈济雷助理研究员和中科院物理所博士生何文卿。于海明教授为通讯作者，南科大量子院为通讯作者单位。

2）2023年2月发表在Physical Review Letters的“Long-Distance Coherent Propagation of High-Velocity Antiferromagnetic Spin Waves”（高速反铁磁自旋波的长距离相干传播）


聚焦在单晶赤铁矿（α-Fe2O3）材料中实现的反铁磁自旋波的相干激发和探测。反铁磁自旋波相较于传统铁磁自旋波具有高速、高频以及抗干扰等优势，然而就目前而言，绝大部分自旋波电子学工作都是基于铁磁或者亚铁磁材料进行的。量子院陈济雷课题组与北航于海明教授课题组，清华大学宋成教授课题组及合作者，在反铁磁α-Fe2O3单晶上制备了不同距离的纳米级别微波天线，从而进一步观测到α-Fe2O3材料中的反铁磁自旋波速度高达22.5 km/s，相干传播距离超过10 μm。这一发现为目前正处于高速发展中的反铁磁自旋波电子学提供了重要的实验证据。



图2 高速反铁磁自旋波的激发与探测



该工作共同第一作者为北航集成电路学院硕士毕业生王涵晨（量子院访问学生）、北航本科生袁润东以及清华大学博士生周永健。瑞士洛桑联邦理工大学J. Ansermet教授、清华大学宋成教授和于海明教授为通讯作者，南科大量子院为通讯作者单位，南科大量子院俞大鹏院士和刘松研究员对本工作的实验提供了支持与指导。

3）2023年4月发表在Physical Review X的“Observation of Spin-Wave Moiré Edge and Cavity Modes in Twisted Magnetic Lattices”（魔角磁晶体中观测自旋波摩尔边缘态与腔态）


工作首次在实验中观测到磁子在纳米尺度摩尔晶体中的边缘态（传播性）与腔态（局域性）。量子院刘松研究员带领的量子芯片加工中心对铁磁绝缘体钇铁石榴石摩尔磁子晶体薄膜器件进行了微纳加工制备。实验中发现，自旋波的边缘态具有非平庸的拓扑性质，并可以通过扭曲角度和磁场进行调节。该工作为摩尔磁子学及拓扑磁子学开启了全新的研究思路，并为探索用于信息处理的新奇磁子学器件提供了潜在的技术路径。


图3 在基于铁磁绝缘体的纳米摩尔磁子晶体中观测到自旋波的边缘态


该研究工作由南科大量子科学与工程研究院、北京航空航天大学、中科院物理所、意大利佩鲁贾大学与瑞士洛桑联邦理工大学等多家国内外单位合作完成。共同第一作者为北航硕士毕业生王涵晨（量子院访问学生）、南科大陈济雷助理研究员、贾浩高级工程师、中科院物理所博士生张雨以及北航本科生袁润东。意大利佩鲁贾大学M. Madami副教授、G. Gubbiotti教授、瑞士洛桑联邦理工大学J. Ansermet教授和于海明教授为通讯作者。南科大量子院为通讯作者单位，本工作得到了南科大量子院俞大鹏院士的悉心指导和大力支持。

以上研究得到国家重点研发计划-量子调控重大专项“自旋波电子学物理、材料与器件”、国家自然科学基金以及国家留学基金的资助。

论文原文链接：


2023年1月PRL：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046701

2023年2月PRL：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.096701

2023年4月PRX：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.021016