在磁性材料中利用自旋波

對直徑為0。5微米的磁碟的磁性模擬，可以看到動態磁化強度的空間分佈：坡莫合金（左），鈷和鎳（右）。

（圖片來源：B。 Divinskiy等人，《自然·通訊》）

更小、更快、更高效，作為電子器件研發者努力的目標已經很多年了。例如，為使行動電話或計算機的單個元件小型化，目前，磁波被視為傳統資料傳輸方式即電流的優良替代者。隨著晶片越來越小，電子資料傳輸在某個時刻將達到極限，因為相距很近的電子會釋放大量熱量，這就會導致物理過程的中斷。

相反，高頻磁波即使在最小的奈米結構中也可以傳播，進而輸送和處理資訊。這種應用的物理基礎是磁性材料中所謂的電子自旋，其可以被簡化為電子繞自身軸的旋轉。然而，由於存在阻尼作用，自旋波會衰減，目前，微電子學中的自旋波只得到了有限的應用。

如今，來自德國明斯特大學（University of Münster）的物理學家開發了一種消除不想要的阻尼的新方法，從而使自旋波更容易被利用。“我們的結果展現了一種應用高效自旋驅動元件的新方法，”該研究的主導、應用物理研究所Demokritov研究小組的Vladislav Demidov博士說道。這種新方法或許不僅與未來微電子學的發展密切相關，還可能對量子技術和新型計算機處理的進一步研究產生影響。該研究發表在《自然·通訊》雜誌上。

實驗設計圖。由鎳鐵高導磁率合金或鈷和鎳製成的薄磁板（藍色）位於一層薄的鉑上（淺褐色）。磁各向異性出現在材料的交介面上。這種效應被鐳射測量（綠色；布里淵散射光譜）。 （圖片來源：B。 Divinskiy等人，《自然·通訊》）

背景與方法

磁振子學（Magnonics）是科學家研究磁性材料中的電子自旋和自旋波的領域的名字。這個名稱來源於磁性粒子，稱為磁振子（magnons），對應於自旋波。

電子補償自旋波的干擾阻尼的最好方法，是在前些年被發現的自旋霍爾效應（spin Hall effect）。自旋流中的電子會因其自旋方向而發生橫向偏轉，這使得在磁性奈米器件中有效地產生和控制自旋波成為可能。然而，振盪中的非線性效應會導致自旋霍爾效應在實際應用中不能正常工作，這也是為什麼科學家仍未實現無阻尼自旋波的原因之一。

在他們的實驗中，科學家將由坡莫合金或鈷和鎳製成的僅幾奈米厚的磁碟置於一層薄的鉑上。所謂的磁各向異性出現在不同材料的交介面上，也就是說磁化發生在給定方向。透過平衡不同層上的各向異性，研究者可以有效地抑制不利的非線性阻尼，並因此獲得相干的自旋波，也就是具有相同的頻率和波形故具有固定相位差的波。這使得科學家可以在磁體系統實現完全阻尼補償，允許波在空間上傳播。

科學家希望他們的新方法可以對磁振子學和自旋電子學的未來發展產生深遠影響。“我們的發現為實現自旋霍爾振盪器開闢了一條道路，這種振盪器能夠產生技術上達到實用價值級別的功率且相干的微波訊號，”該研究的第一作者、明斯特大學非線性磁動力學研究所（Institute for Nonlinear Magnetic Dynamics）的博士生Boris Divinskiy強調道。

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中國數字科技館

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