北京航空航天大学在自旋波电子学研究方向取得一系列重要进展

近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院于海明教授课题组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。北航集成电路学院于海明课题组长期致力于自旋波电子学（磁子学）的研究，近期相关研究工作有2篇发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，1篇发表在《物理评论X》(Physical Review X)。

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。北航集成电路学院于海明课题组与合作者利用逆自旋霍尔效应对劈裂出的两个磁子进行非局域的电学探测，首次观测到两种不同材料体系中的层间三磁子耦合，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。

2023年1月PRL工作：三磁子实验原理示意图

该工作第一作者（共同）包括北航集成电路学院博士生盛路通、日本东北大学Bauer教授组Elyasi博士、南科大陈济雷助理研究员和中科院物理所韩秀峰教授组博士生何文卿。北航集成电路学院于海明教授为通讯作者。北航为论文第一单位。

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）工作在单晶赤铁矿（α-Fe2O3）材料中实现了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。但目前为止，绝大部分自旋波电子学工作都在铁磁或者亚铁磁材料中完成。北航集成电路学院于海明课题组及合作者在实验上观测到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，为目前快速发展中的反铁磁自旋波电子学贡献了重要的实验进展。

2023年2月PRL工作：反铁磁自旋波示意图

该工作第一作者（共同）包括北航集成电路学院硕士毕业生王涵晨（现在国家留学基金资助下于瑞士苏黎世联邦理工大学攻读博士学位）、北航集成电路学院本科生袁润东以及清华大学宋成教授课题组博士生周永健。瑞士洛桑联邦理工大学Ansermet教授、清华大学宋成教授和北航于海明教授为通讯作者。北航为论文第一单位。

2023年4月发表在Physical eview 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）工作首次实验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），为摩尔磁子学以及拓扑磁子学打开了全新的研究思路，并为探索用于信息处理的新奇磁子学器件提供了一个潜在的技术路径。

2023年4月PRX文章在线发表：PRX官网首页介绍

该工作由北京航空航天大学、南方科技大学、中科院物理所、深圳国际量子研究院、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。第一作者（共同）包括北航集成电路学院硕士毕业生王涵晨、本科生袁润东，意大利佩鲁贾大学Madami副教授，南科大陈济雷助理研究员、贾浩高级工程师以及中科院物理所韩秀峰教授组博士生张雨。意大利佩鲁贾大学Madami副教授、Gubbiotti教授、瑞士洛桑联邦理工大学Ansermet教授和北航于海明教授为通讯作者。北航为论文第一单位。

以上研究得到国家重点研发计划“物态调控”重点专项——“新奇磁子量子效应调控及其器件研究”、国家自然科学基金以及国家留学基金等项目的资助。