2021年11月14日，《自然·通讯》（Nature Communications）期刊在线发表了北京航空航天大学集成电路与工程学院于海明教授课题组的最新科研进展《Long decay length of magnon-polarons in BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3heterostructures》。该工作首次证明了在铁酸铋/镧锶锰氧（BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3）薄膜异质结中，由磁子-声子耦合导致的自旋波远距离传输。该结果通过在金属磁体中的磁振子-声子耦合，为显著提高磁振子衰减长度提供了一个有效的解决方案，是混合磁电子学领域的又一关键进展。
磁振子是自旋波的准粒子表示形式，可以在铁磁金属和磁性绝缘体中传递自旋电流而不产生焦耳热，因此在低功耗磁振子器件中具有广阔的应用前景。但即使是在目前已知的最低自旋波阻尼的绝缘钇铁石榴石（YIG）薄膜中，自旋波也仅具有几百微米的衰减长度，且衰减长度取决于具体的薄膜厚度，因而自旋波的长距离传输问题是基于自旋波的信息器件应用所面临的关键问题之一。
为了进一步提高自旋波的衰减长度和传播距离，通过声表面波与自旋波（磁子）的耦合效应来提高自旋波的衰减长度成为了重要的研究方向。铁磁共振可以通过压电基片上的磁性薄膜中的磁振子-声子耦合由表面声波（SAW）驱动。在耦合过程中，声子可能携带自旋信息。声表面波的非互易传播是由磁振子-声子耦合产生。另一方面，铁磁氧化物导体LSMO也因为其具有的相对较低的自旋波阻尼可以作为自旋波激发和传输的介质而受到广泛研究。可由铁磁共振激发的自旋波因而也可能通过与声子的耦合效应实现远距离的传输。
在这项工作中，北航团队实验研究了自旋波在BFO/LSMO异质结构（图1b）中的角度分辨传播自旋波谱（AR-PSWS）（图1c，d）和时间分辨布里渊光散射（TR-BLS，图4）。在角度分辨自旋波传播（AR-PSWS）光谱中观察到两种不同的自旋波模式（图1d）：模式Y是LSMO中相干传播的自旋波模式，观测结果表明该模式以指数衰减，衰减长度约为5μm（图5）。模式X（图1d）并不常见，本研究团队将其确定为BFO/LSMO异质结构中的杂化磁振子-声子模式（或磁振子极化子），其以高达2.5km/s的群速度和高达1 mm的长衰变长度传播。TR-BLS观测到的结果表明它与BFO声子模式有关。数值模拟表明，通过BFO/LSMO界面的磁弹性耦合使BFO中的声子与LSMO中的磁振子杂交，形成磁振子极化子（图2），使得自旋波的衰减长度显著增长。
该工作为解决长期存在的金属磁体中磁振子衰变长度问题提供了一个解决方案，并推进了混合磁振子的发展。
图1BFO/LSMO异质结结构和角度分辨自旋波传输信号
图2不同距离自旋波传输谱和自旋波群速度
图3磁振子-声子耦合导致的模式杂化
图4BFO/LSMO异质结构的时间分辨BLS测量结果
图5磁振子-声子杂交模在BFO/LSMO界面的长距离传输
该研究克服疫情带来的不利影响，与清华大学南策文院士、瑞士洛桑联邦理工大学DirkGrundler教授和日本里肯紧急物质科学中心Sadamichi Maekawa教授团队展开国际合作。我院博士生张建宇、清华大学博士生陈明凤、南方科技大学副研究员陈济雷、日本原子能机构高级科学研究中心Kei Yamamoto博士、我院硕士生王涵晨和瑞士洛桑联邦理工大学博士生Mohammad Hamdi是论文的共同第一作者；日本里肯紧急物质科学中心Sadamichi Maekawa教授、瑞士洛桑联邦理工大学Dirk Grundler教授、清华大学南策文院士和我院于海明教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
近年来，北航集成电路科学与工程学院相关课题组瞄准科研前沿方向，致力于超低功耗自旋电子器件的技术研发，在器件设计[1-3]、材料验证[4-6]、物理机制[7-10]、器件工艺[11,12]等层面都取得了一系列进展，相关成果发表于《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《自然·通讯》（Nature Communications）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）等国际顶级期刊。
文章原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27405-2
Zhang, J., Chen, M., Chen, J. et al. Long decay length of magnon-polarons in BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3heterostructures.Nat Commun12, 7258 (2021).
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