自旋波或磁振子作为磁有序系统的集体激发，可以避免随电流传导自旋角动量，为后摩尔时代发展非挥发性、低能量、高速、小尺寸的新型微电子器件提供了广阔的发展空间。以磁子的产生、输运和调控为目标的磁电子学已成为自旋电子学的最新发展方向，是凝聚态物理的一个新分支。中国科学院物理研究所M02研究组韩秀峰研究员/北京凝聚态物理国家研究中心近年来磁阀(YIG/Au/YIG) PRL 120(2018) 097205和磁结(YIG/NiO/YIG)具有磁绝缘体(MI)/间隔子(Spacer)/磁绝缘体(MI)的核心结构以及具有磁发生器和磁探测器(PT/YIG)双重功能的磁电隔离器因此进一步了解了非相干或相干磁子在完全电隔离中的输运性质
最近M02组的严正仁、万和韩秀峰博士生开发了原子尺度自旋动力学包，讨论了磁子结中热磁子的输运行为。理论结果再现了磁振子结效应(Magnon Junction Effect，MJE)，即当两个铁磁体的磁矩平行(或反平行)时，磁子的透过率是有限的且不为零(或为零)。进一步分析表明，磁子结效应源于自旋波的圆偏振特性：自旋向上(向下)的铁磁体只能激发和传播右(左)圆偏振的自旋波。因此，由自旋向上的磁体激发的右旋极化自旋波在通过具有自旋向下的相邻磁层时，会在界面处被阻挡。这种机制被称为磁振子阻塞效应(MBE)。阐明了磁子结高开关比的物理起源，证明了磁子结等相关新型磁子器件在信息处理和存储领域具有巨大的潜在应用价值。
为了进一步展示自旋波极化特性引起的散射行为的细节，M02组的严正仁、邢、韩秀峰博士基于磁子的薛定谔方程，进一步从理论上研究了人工反铁磁异质结中单色相干自旋波的散射现象。结果表明，当一个交换自旋波从自旋向上的铁磁层注入自旋向下的铁磁层时，自旋波的振幅会衰减E指数，并且随着入射波频率的增加，衰减波的衰减长度会逐渐减小，即高频自旋波只能被限制在自旋向下的铁磁层的表层，不能在体内传播。这种现象类似于电磁波从空气进入金属时的趋肤效应，故命名为磁振子趋肤效应，MSE)。磁子趋肤效应的机理是自旋方向锁定的自旋波的偏振特性，即自旋向上(向下)的铁磁体只能传播右旋(左旋)圆偏振的自旋波，因此入射的自旋波只能以衰减波的形式穿透有限的深度然后被全反射。由于磁子的趋肤效应，自旋波的有效反射点会相对于入射点移动，产生磁振子古斯-陈晗频移效应(MGSE)。这项工作揭示了自旋波的类光学性质，为研究和开发新型磁子器件(如磁子滤波器、磁子透镜、磁子激光器等)奠定了物理基础。相关工作以信件形式发表在《物理评论B》上。
1.左图：磁子结的结构和磁子阻挡效应(MBE)示意图；(a)不同磁结构的磁子浓度的空间分布；(b)通道分辨磁子浓度的空间分布；平行态(C)和反平行态(D)磁结磁子输运示意图。磁子阻挡效应发生在磁矩相反的界面，相同磁矩的界面磁子可以部分透射。右图：磁子趋肤效应(MSE)示意图。介质1(2)的磁矩方向沿着z(-z)方向，允许右(左)圆偏振自旋波的传播。当自旋波从右手介质1进入左手介质2时，介质2中的波是衰减波，其衰减长度为Ld。(b)自旋波从YIG进入GdIG时Ld随频率和入射角i的变化。(c)当自旋波从GdIG进入YIG时，Ld随频率和入射角 i的变化.
综上所述，上述理论研究结果清楚地表明，磁子结等器件对相干/非相干磁子的高效调控，是由于磁子或自旋波在磁性材料中固有的可自旋性。这一发现夯实了纯磁子器件高效调控磁子输运的物理基础，为纯磁子存储和逻辑器件的发展开辟了新的发展方向和技术路线。
相关工作得到了国家自然科学基金、科技部和中国科学院的支持。
编辑：Norma、yrLewis
