近日，深圳国际量子研究院陈济雷副研究员课题组与合作者在相干反铁磁自旋波的研究中取得了重要进展。研究团队在低温条件下成功观测到易轴反铁磁材料α−Fe2O₃中的无能隙磁子，并通过全电学自旋波谱技术实现了对这些磁子的高效探测。相关研究成果以“Observation of Coherent Gapless Magnons in an Antiferromagnet”为题，于2025年2月6日发表在物理学顶级期刊 Physical Review Letters 上。

自旋波是磁性材料中电子自旋的集体进动模式，其量子态被称为磁子。相较传统铁磁磁子来说，反铁磁磁子因其高传播速度和对外部干扰的强免疫力，被认为是未来自旋波电子电路的重要信息载体。然而，反铁磁材料中的磁子通常具有较高的能隙，限制了其基于微波技术应用。此次研究首次在低温条件下观测到α−Fe2O₃中的无能隙磁子，这些磁子在接近零频率下被探测到，并沿着反铁磁畴壁传播，为基于反铁磁纹理的自旋电子器件提供了新的可能性。




图1 反铁磁磁畴壁中无能隙磁子的传播


在这项研究中，研究团队在反铁磁绝缘体α−Fe2O₃上制备了纳米级微波天线，采用全电学手段，在低温下对其中反铁磁磁子的共振进行了精确表征。通过理论模型和数值模拟揭示了无能隙磁子在反铁磁畴壁中的传播机制。实验结果表明，这些磁子具有高度的相干性，并能与微波光子实现强耦合。此外，研究团队还展示了无能隙磁子在反铁磁畴壁中的长程传播特性，这一特性为设计基于反铁磁纹理的高密度自旋波电路提供了新的思路。此发现不仅验证了反铁磁磁子在微波频段的应用潜力，还为开发高效、低功耗的自旋波器件奠定了理论基础，有望推动未来低功耗、高速度自旋电子器件的应用。未来，研究团队计划进一步探索无能隙磁子在其他反铁磁材料中的行为，并优化其与微波光子耦合的效率，以推动其在量子信息处理和自旋电子学中的应用。




图2 无能隙反铁磁磁子与光子强耦合模式


该工作的第一作者为深圳国际量子研究院陈济雷副研究员和电子科技大学金哲珺雨博士。陈济雷副研究员、电子科技大学严鹏教授和北京航空航天大学于海明教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省科技厅等单位的大力支持。


论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.056701