北航集成电路科学与工程学院在《Nature Physics》发表磁子学研究重要进展

北京航空航天大学集成电路科学与工程学院的于海明教授团队在磁子学实验研究方面取得了突破性进展。于海明教授及其团队通过利用自旋波的干涉效应，在反铁磁材料中成功实现了纯自旋流的手性（左、右手）调控，为新型磁子学器件的发展提供了关键实验基础。相关研究成果“control of spin currents by magnon interference in a canted antiferromagnet”于2025年4月23日发表在nature physics杂志上（doi: 10.1038/s41567-025-02819-7）。

自旋波（Spin waves）是自旋的集体进动模式，其量子化为磁子（Magnon）。磁子能够在不产生焦耳热耗散的情况下传输自旋信息，被视为下一代超低功耗新型磁子学器件的信息载体。反铁磁绝缘体α-Fe2O3（近期也被归类为交错磁体）是Dzyaloshinskii和Moriya首次发现DM相互作用的材料之一，在室温下处于易面相，并具有极低的自旋阻尼因子（10-5），是自旋波在通讯频段应用的理想材料。于海明课题组近年来在反铁磁磁子学研究领域持续深入研究，已取得系列重要成果：包括实现反铁磁磁子的高速长距离传输 [Phys. Rev. Lett. 130, 096701 (2023)]，以及通过全电学自旋波谱观测到反铁磁零能隙磁子模式 [Phys. Rev. Lett. 134, 056701 (2025)]，并发表了题为《Perspectives on antiferromagnetic magnonics》的评论综述 [Sci. Bull. 69, 3324 (2024)]。

图 1. a. 反铁磁自旋波示意图。b. 反铁磁自旋波干涉调控自旋流手性概念图

自旋流的调控是自旋电子学应用的核心科学问题。在铁磁材料中，由于时间反演对称性破缺，自旋泵浦效应产生的自旋流必为右手手性；而反铁磁材料内禀存在的两个相反进动手性亚磁矩，为实现自旋流手性调控提供了独特优势。本研究在室温条件下成功实现了α-Fe2O3中自旋流手性的精确调控。在实验表征方面，研究团队采用具有高空间分辨率的布里渊光散射显微技术（BLS），直接观测到反铁磁自旋波干涉形成的空间周期性干涉条纹；利用逆自旋霍尔效应（ISHE）实现对左右手自旋流的有效区分，并探测到振荡的正负逆自旋霍尔电压。结合日本理化所Maekawa教授的理论分析，揭示了两种线偏振磁子干涉产生不同手性磁子的机制，阐明其传播过程中建立的相位延迟是决定自旋流手性发生交替变化的关键因素。

图 2 a. ISHE探测器件。b.自旋流手性调控机制。c. 频域自旋波干涉条纹。d. 自旋流手性的交替变化

通过反铁磁材料中的自旋波干涉效应，该研究展示了高度可控的自旋流产生机制。研究团队不仅通过BLS技术捕捉到空间上的自旋波干涉条纹，并通过纯自旋流的电学检测实现了自旋流手性的识别。这种基于频率调控自旋电流极化的方法，可通过频率可调的磁子自旋扭矩实现纳米磁体的磁矩可控翻转。该研究成果为相干反铁磁自旋电子学的发展开辟了新方向，显著提升了磁子作为下一代信息处理与计算载体的应用潜力。

图 3 反铁磁自旋波干涉的BLS空间域探测。

北航集成电路学院2024届博士毕业生盛路通（现深圳国际量子院助理研究员）、瑞士洛桑联邦理工大学博士生Anna Duvakina、瑞士苏黎世联邦理工大学博士生王涵晨（北航集成电路学院2022届硕士毕业生）、日本理化所Kei Yamamoto研究员，英国剑桥大学博士生袁润东（北航高工学院2023届本科毕业生）为本文共同第一作者，瑞士洛桑联邦理工大学Dirk Grundler教授和北航集成电路学院于海明教授为论文共同通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。

该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家留学基金委、深圳量子科学与工程研究院等项目的支持。

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