速度提升16倍，磁振子最新Nature Nanotechnology

▲第一作者：Kyusup Lee, Dong-Kyu Lee

通讯作者：Kyung-Jin Lee（韩国科学技术院）、 Hyunsoo Yang（新加坡国立大学）

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-021-00983-4

背景介绍

反铁磁体(AFM)是一种没有净磁化强度的磁性材料，其原因是组成磁子晶格的反平行排列。因此，AFM几乎不受外部磁场的影响，从而为高密度器件提供了可能。磁性材料中的初级低能集体激发是自旋波，其量子是磁子。磁振子携带角动量而不涉及移动电荷，从而使焦耳无热自旋电子学应用得以实现。与只有一个磁振子模式的铁磁体(FMs)相比，AFMs由于具有两个磁性子晶格而具有两种模式，提供了更多功能的磁振子功能。反铁磁体中磁振子介导的角动量流可能成为高能效、低耗散和高速自旋电子器件的设计元素。由于它们的低能量耗散，反铁磁磁振子可以传播超过微米的距离。然而，由于缺乏足够快的探针，一直难以直接观测它们的高速传播。

本文亮点

1. 本工作用光驱动的太赫兹辐射在纳米尺度(≤50 nm )测量反铁磁磁振子在时域中的传播。

2. 本工作发现，在非磁性Bi2Te3/反铁磁体-绝缘体-NiO/铁磁体-Co三层结构中，本工作在NiO层观察到了~650 km s-1的磁振子速度。这一速度远远超过了以前估计的~40 km s-1的NiO磁振子群最大速度。

3. 本工作的理论表明，对于磁振子在纳米尺度上的传播，一个有限的阻尼使得小的磁振子波数的色散异常，并产生一个类似超光速的磁振子速度。考虑到有限耗散在材料中的普遍性，该结果加强了使用反铁磁磁子的超快纳米器件的前景。

图文解析

▲图1. 绝缘AFM中磁振子介导的自旋输运示意图

要点：

1、本工作研究了随时间变化的Jc在太赫兹波段发射电磁波(图1a)。通过在NM和FM之间插入一个绝缘AFM，FM中光学产生的Js诱导产生磁振子电流(Jm)。Jm通过绝缘AFM传播，并将角动量传递给NM，进而产生THz辐射。

2、本工作提出，由于NM/FM双层膜和NM/AFM/FM三层膜的唯一区别是绝缘的AFM，因此通过比较两种结构的时域太赫兹信号可以得到磁振子通过AFM传播的时间，从而可以直接估计AFM中的磁振子速度。

3、本工作发现，NiO的磁性和绝缘性共存，使得角动量输运仅由磁子完成，没有伴随的电荷驱动效应。本工作在Al2O3(0001)衬底上生长了夹在非磁性Bi2Te3层和面内磁化铁磁性Co层之间的NiO层，并用SiO2层封装。

▲图2. 样本表征

要点：

1、分子束外延生长的外延材料Bi2Te3具有良好的SCC效率。在原子力显微镜图像中观察到的三角形结构的存在证实了Bi2Te3的高质量(图2a)。x射线衍射图表明，NiO层主要沿(111)方向织构。

2、本工作发现，当d > 10nm时，NiO (111)的X射线衍射峰随d的增大而增大(图2c)。Co层的矫顽力也随着d的增大而增大(图2d)。矫顽力的增加结合X射线衍射结果，说明NiO层中反铁磁有序度随d的增加而提高，特别是在d>10nm时。

▲图3. Bi2Te3/NiO/Co中与厚度相关的自旋电流输运

要点：

1、图3a显示了室温下d=0-50nm的典型ESCC信号随时间(t)的变化。从图3b可以看出，当d=0nm时，随着d的增加，ESCC的峰值迅速减小，当d=0~10nm时，ESCC的峰值随d的增加而减小，此时反铁磁序较弱，电子自旋穿过NiO层可能对THz信号产生影响。而对于较厚的NiO层(d>10nm)，电子自旋隧穿贡献可以忽略不计，ESCC在d≈15~20nm处出现峰值，并随着d的进一步增大而减小

2、接下来本工作评估了NiO中的反铁磁磁振子速度。如上所述，Bi2Te3/Co双层和Bi2Te3/NiO(d)/Co三层之间ESCC峰的时间延迟(τ)来源于磁振子通过NiO的传输。从图3a可以看出，ESCC(t)随着d的增加而发生时间延迟。

3、图3c所示为延迟的厚度依赖性。本工作磁振子速度νm=d/τ (图3d)，磁子速度随d的增大先增大，在d=15-20nm处达到最大，然后在d>20nm处减小。本工作注意到最大磁子速度出现在d=15-20nm。该厚度范围对应于X射线衍射峰(图2c)、矫顽力(图2d)和太赫兹振幅(图3b)的明显增强，表明最大磁振子速度与反铁磁有序的改善有关。

▲图4. 分析和数值计算得到了阻尼存在时的磁振子色散和磁振子速度

要点：

1、本工作最后通过理论计算表明，在有阻尼的情况下，磁振子的传播也会出现类似的现象。图4a显示了不同阻尼常数(α)下光学模的ω随k-RE的函数变化。相对于α=0时的ω，阻尼使ω在k-RE=0附近急剧下降。对于声波模式，本工作观察到类似的趋势。这种减小的ω伴随着kIM的增大。

2、有趣的是，ω急剧下降的重要后果是在小波数(图4c的灰色区域)时，磁振子群速度超过v-g,0,max。因此，在阻尼存在下，磁振子色散变得异常(图4a)，导致磁振子群速度大于v±g,0,max(图4c)，即超光速类磁振子传播。这也定性地符合用频率相关相位提取法实验估计的磁振子相速度。

3、为了支持这一理论解释，本工作利用低波数拉曼光谱实验测量了NiO中磁振子激发的线宽。图4d显示当d=20nm时，线宽达到最小值，它与α成线性比例。本工作注意到在k±RE→0的极限下，方程中v±g与α成反比。因此，线宽结果与磁振子在d≈20nm处的速度峰值相一致(图3d)，证明了本工作的理论解释对于巨磁振子速度的实验观测是可行的。本工作注意到，阻尼诱导的类超光速磁振子传播与通过倏逝自旋波的角动量输运有质的区别。

4、最后，本工作提出，由于阻尼在材料中总是非零的，因此，由于阻尼的存在而产生的类超光速磁振子传播有望成为普遍现象。之所以到目前为止还没有观察到这种普遍现象，一个可能的原因是它只出现在受到空间局域激发的纳米级器件上。从基础科学的观点来看，由于阻尼总是对各种自旋相关现象产生不利的影响，这种类似于超光速的磁振子速度引起了人们的极大兴趣。从应用的角度来看，由于它允许人们以远远高于被认为是磁通器件基本极限的速度操作纳米磁通器件，因此它也十分重要。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00983-4