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    奇妙的自旋波-短波長自旋波及其在鐵磁材料中遠距離傳播的突破

    2018-05-07

    導語:

    2018年2月21日,北京航空航天大學電子信息工程學院于海明教授組于《自然通訊(Nature Communications)》在線發表了題為“短波長自旋波的遠距離傳播(Long-distance propagation of short-wavelength spin waves)”的研究成果,利用鐵磁金屬納米線陣列的動態偶極相互作用在釔鐵石榴石薄膜材料中激發超短波長自旋波,其波長低至50 nm,傳播距離可達60000 nm,工作得到了北航大數據與腦機智能高精尖中心、國家自然科學基金及“青年千人”項目的大力支持, 并得到北航電子信息工程學院趙巍勝教授、張有光教授等專家的指導和幫助,在該研究領域居國際先進水平,是北京航空航天大學自旋電子交叉學科研究中心2018年在《自然通訊(Nature Communications)》上發表的第2篇文章。
     

    圖:傳播性超短波長自旋波激發譜及群速度

    何為自旋

    我們都知道電子有兩種基本屬性,質量與電性。人們無法利用質量,就在其電性上打起了主意,于是開啟了我們當今的電氣化時代。電荷沿同一方向運動形成電流,電流在流動時會產生熱效應,降低我們對能量的利用效率。在摩爾定律統治下的這半個世紀,集成電路可容納器件數的增長伴隨著芯片單位面積發熱功率的增加,在一些芯片密集應用領域,如存儲、大規模計算等,如何降低芯片的發熱從而提升性能和能量利用效率已經成為了人們研究的熱點方向。

    面臨如上問題,電子鮮為人知的第三種屬性——自旋就派上了用場。所有微觀粒子都存在自旋,而電子的自旋剛好是1/2,這樣在外加磁場的作用下就能使電子在兩種自旋狀態間產生轉換,兩種自旋態正好能與二進制中的0和1對應,于是自旋便能在邏輯計算與存儲領域里大放光彩。

    自旋波可以在絕緣體中傳播,不存在電荷流,因此沒有熱效應。以電子自旋研制的高密度低功耗器件與傳統大功耗器件相比有著不可比擬的優勢?;谧孕木薮烹娮栊℅MR)在普通硬盤磁頭中的應用使存儲價格由最初的10000美元/MB下降到至10美元/MB,加之近些年的發展,一塊標準的3.5寸硬盤已經有了10TB的容量,這在十多年前是無法想象的。

    激發自旋波

    于海明教授在瑞士洛桑聯邦理工就開始從事自旋電子方向的研究,但相關領域在國內的發展還比較滯后,先進實驗設備也對國內禁售。為盡快在國內開展研究,于海明教授在2014年來到北航后就開始了實驗設備的搭建。其間克服了許多困難,歷經兩年時間終于搭建出了一套具有國際領先水平的全電學自旋波探測系統,這對于自旋波的研究至關重要。
     

    圖:全電學自旋波探測系統

    激發超短波長的自旋波能夠減小器件尺寸,提高集成度,同時短波長對應著更高的頻率,自旋邏輯器件也會有更快的運算速度。但想要激發出短波長自旋波可不容易,實驗過程中所需測量的自旋波頻率最高超過了30GHz,這已經接近目前測量系統的極限,為了獲得令人信服的結果,于教授的團隊通過長時間的校準和調試才得到了清晰的自旋波信號,為之后的進一步理論分析打下了可靠的基礎。

    在實驗的過程中于教授的團隊選擇了鐵磁絕緣體釔鐵石榴石薄膜材料,這種材料具有超低的阻尼系數,自旋波可在其中遠距離傳播,他們通過電子束曝光與離子束刻蝕的方法設計制備了鐵磁金屬納米線陣列,并利用其動態偶極相互作用在釔鐵石榴石薄膜中成功激發了短波長自旋波。

    圖:超短波長自旋波色散曲線

    國際化團隊

    于海明教授的團隊中有來自多個國家的博士生與博士后,這是一個年輕、富有創新精神的國際化研究團隊。在這種不同文化交流與碰撞的環境下,于教授的學生能夠學習不同文化的優秀習慣,在不斷的溝通和探討中迸發思維的火花。來自德國慕尼黑工業大學的Florian Heimbach博士與博士研究生Tobias Stückler就以他們研究問題時的嚴謹專注和對科研與日常生活時間的精確分配讓劉傳普博士與博士研究生陳濟雷印象深刻。由于組員來自世界各地,英文便成為了組會的交流語言,這對他們與國際頂級科研團隊保持密切的合作交流提供了純天然的優勢,在國際交流合作中不斷取得國際同行的認可,國際影響力不斷提升。
     

    圖:于海明教授的團隊成員

    結語:

    2018年4月24日《物理評論快報(Physical Review Letters)》在線接收了于海明教授課題組題為“鐵磁金屬/絕緣體納米結構中的強磁振子耦合(Strong interlayer magnon-magnon coupling in magnetic metal/insulator hybrid nanostructures)” 的研究成果,在國際上首次觀測到了磁子-磁子間的強耦合作用,該發現將有助于在自旋波器件設計和應用方面實現突破。新成果的誕生離不開日積月累打下的良好基礎,我們已經目睹了巨磁電阻效應的應用給人類帶來的巨大財富,當前自旋電子的發展已經處于成熟期,我們有理由相信,在整個自旋電子研究中心的不斷努力下,北航自旋電子的研究會取得更高水平的成果。

     

    文章鏈接:

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

    自旋電子研究中心:

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

    策劃/文案:曹嘉輝

    采訪:李明珠,譚莉莎

    設計:楊彥卓

    鳴謝:電子信息工程學院

    編審:門戶網站總編總監工作室

    投稿:geoos@buaa.edu.cn

     



    審核:審核人參數配置未打開 編輯:曹嘉輝

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