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研究背景

磁振子（magnon）是自旋波的量子化形式，因其能夠在不攜帶電荷且不伴隨焦耳熱耗散的情況下傳播，被廣泛應(yīng)用于量子計算、邏輯電路和信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。與傳統(tǒng)的電子載流子相比，磁振子具備長距離傳播、低能耗和無熱耗散等優(yōu)勢。然而，在室溫下實現(xiàn)長距離傳播的磁振子邊緣態(tài)仍然存在材料阻尼高、自旋波通道難以優(yōu)化等問題，給集成化磁振器器件的研發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了解決這一問題，北京師范大學(xué)張金星教授團(tuán)隊、沈卡、北京航空航天大學(xué)于海明教授等人攜手在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states”的最新論文。該團(tuán)隊通過原子級的晶格應(yīng)變設(shè)計，制備了錳酸鹽薄膜，成功實現(xiàn)了長距離傳播的手性磁振子邊緣態(tài)。這種薄膜具有毫米級長度的反鐵磁耦合自旋螺旋結(jié)構(gòu)以及低磁性吉爾伯特阻尼（約3.04 × 10??）。

研究人員利用動態(tài)偶極相互作用，揭示了手性磁振子邊緣態(tài)的形成及其與螺旋紋理中磁振子的強(qiáng)耦合機(jī)制。他們觀察到一種具有穩(wěn)健手性的混雜磁振子，這種狀態(tài)可以通過外加磁場的不同閾值角度可逆地開關(guān)。

研究亮點

1. 實驗首次在錳酸鹽薄膜中實現(xiàn)了手性磁振子邊緣態(tài)的長距離傳播，得到了毫米級長度的反鐵磁耦合自旋螺旋結(jié)構(gòu)和低磁性吉爾伯特阻尼（約3.04 × 10??）的材料體系。這一成果為室溫條件下集成磁振器器件的開發(fā)提供了可能性。

2. 實驗通過觀察非互易性自旋波傳播，揭示了動態(tài)偶極相互作用在手性磁振子邊緣態(tài)產(chǎn)生與混雜過程中的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，該手性邊緣態(tài)的傳播具有類似Damon–Eshbach模態(tài)的手性特性，并且高度局域化，可以沿納米通道邊緣傳播超過百微米。

3. 實驗通過分析螺旋紋理中的強(qiáng)磁振子耦合，發(fā)現(xiàn)了混雜磁振子在外場作用下的可逆和選擇性開關(guān)行為。這些磁振子能夠在不同閾值角度下穩(wěn)定存在，其手性傳播特性顯示出極大的調(diào)控潛力。

4. 實驗利用外延應(yīng)變技術(shù)精確設(shè)計了晶格參數(shù)，同時實現(xiàn)了磁性阻尼的降低和長自旋波納米通道的構(gòu)建。研究表明，強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物的自旋紋理和阻尼特性可以通過材料的電子能帶與自旋結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計進(jìn)行有效調(diào)控。

圖文解讀

圖1：應(yīng)變工程自旋螺旋中激發(fā)的磁振子模式。

圖2：在動態(tài)偶極相互作用下觀察非互易光學(xué)磁振子。

圖3：強(qiáng)磁振子–磁振子耦合的觀測。

圖4：手性磁振子邊緣態(tài)。

圖5：長距離傳播手性邊緣態(tài)的可逆和選擇性切換。

結(jié)論展望

本文的研究為磁振子邊緣態(tài)的實現(xiàn)和調(diào)控提供了新的思路與平臺。通過原子級設(shè)計晶格應(yīng)變，成功實現(xiàn)了低阻尼、超長準(zhǔn)反鐵磁紋理，這為室溫下手性磁振子邊緣態(tài)的高效傳播奠定了基礎(chǔ)。這一研究表明，強(qiáng)偶極耦合作用在手性磁振子邊緣態(tài)的產(chǎn)生與調(diào)控中起到了至關(guān)重要的作用。最具啟示性的是，通過外場調(diào)控螺旋紋理的方向，可以實現(xiàn)磁振子邊緣態(tài)的可逆開關(guān)，這種非易失性調(diào)控為未來量子技術(shù)的應(yīng)用提供了新的方向。

此外，本文揭示了磁振子與其他玻色子耦合的潛力，這對于進(jìn)一步探索磁性材料中的新型激發(fā)態(tài)及其量子行為具有重要意義。隨著自旋波、磁振子等磁性激發(fā)態(tài)在低維系統(tǒng)中的研究深入，集成磁振器器件在信息存儲、量子計算等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。因此，設(shè)計低阻尼材料和調(diào)控自旋紋理的策略，成為推動下一代量子信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。

文獻(xiàn)信息

Zhang, Y., Qiu, L., Chen, J. et al. Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states. Nat. Mater. 24, 69–75 (2025).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/01/06/3e5014e2e6/

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北京師范大學(xué)，Nature Materials！

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