導(dǎo)語(yǔ)：

2018年2月21日，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院于海明教授組于《自然通訊（Nature Communications）》在線發(fā)表了題為“短波長(zhǎng)自旋波的遠(yuǎn)距離傳播（Long-distance propagation of short-wavelength spin waves）”的研究成果，利用鐵磁金屬納米線陣列的動(dòng)態(tài)偶極相互作用在釔鐵石榴石薄膜材料中激發(fā)超短波長(zhǎng)自旋波，其波長(zhǎng)低至50 nm，傳播距離可達(dá)60000 nm，工作得到了北航大數(shù)據(jù)與腦機(jī)智能高精尖中心、國(guó)家自然科學(xué)基金及“青年千人”項(xiàng)目的大力支持, 并得到北航電子信息工程學(xué)院趙巍勝教授、張有光教授等專家的指導(dǎo)和幫助，在該研究領(lǐng)域居國(guó)際先進(jìn)水平，是北京航空航天大學(xué)自旋電子交叉學(xué)科研究中心2018年在《自然通訊（Nature Communications）》上發(fā)表的第2篇文章。
 

圖：傳播性超短波長(zhǎng)自旋波激發(fā)譜及群速度

何為自旋

我們都知道電子有兩種基本屬性，質(zhì)量與電性。人們無(wú)法利用質(zhì)量，就在其電性上打起了主意，于是開(kāi)啟了我們當(dāng)今的電氣化時(shí)代。電荷沿同一方向運(yùn)動(dòng)形成電流，電流在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，降低我們對(duì)能量的利用效率。在摩爾定律統(tǒng)治下的這半個(gè)世紀(jì)，集成電路可容納器件數(shù)的增長(zhǎng)伴隨著芯片單位面積發(fā)熱功率的增加，在一些芯片密集應(yīng)用領(lǐng)域，如存儲(chǔ)、大規(guī)模計(jì)算等，如何降低芯片的發(fā)熱從而提升性能和能量利用效率已經(jīng)成為了人們研究的熱點(diǎn)方向。

面臨如上問(wèn)題，電子鮮為人知的第三種屬性——自旋就派上了用場(chǎng)。所有微觀粒子都存在自旋，而電子的自旋剛好是1/2，這樣在外加磁場(chǎng)的作用下就能使電子在兩種自旋狀態(tài)間產(chǎn)生轉(zhuǎn)換，兩種自旋態(tài)正好能與二進(jìn)制中的0和1對(duì)應(yīng)，于是自旋便能在邏輯計(jì)算與存儲(chǔ)領(lǐng)域里大放光彩。

自旋波可以在絕緣體中傳播，不存在電荷流，因此沒(méi)有熱效應(yīng)。以電子自旋研制的高密度低功耗器件與傳統(tǒng)大功耗器件相比有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。基于自旋的巨磁電阻效應(yīng)（GMR）在普通硬盤磁頭中的應(yīng)用使存儲(chǔ)價(jià)格由最初的10000美元/MB下降到至10美元/MB，加之近些年的發(fā)展，一塊標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸硬盤已經(jīng)有了10TB的容量，這在十多年前是無(wú)法想象的。

激發(fā)自旋波

于海明教授在瑞士洛桑聯(lián)邦理工就開(kāi)始從事自旋電子方向的研究，但相關(guān)領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)的發(fā)展還比較滯后，先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備也對(duì)國(guó)內(nèi)禁售。為盡快在國(guó)內(nèi)開(kāi)展研究，于海明教授在2014年來(lái)到北航后就開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建。其間克服了許多困難，歷經(jīng)兩年時(shí)間終于搭建出了一套具有國(guó)際領(lǐng)先水平的全電學(xué)自旋波探測(cè)系統(tǒng)，這對(duì)于自旋波的研究至關(guān)重要。
 

圖：全電學(xué)自旋波探測(cè)系統(tǒng)

激發(fā)超短波長(zhǎng)的自旋波能夠減小器件尺寸，提高集成度，同時(shí)短波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)著更高的頻率，自旋邏輯器件也會(huì)有更快的運(yùn)算速度。但想要激發(fā)出短波長(zhǎng)自旋波可不容易，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需測(cè)量的自旋波頻率最高超過(guò)了30GHz，這已經(jīng)接近目前測(cè)量系統(tǒng)的極限，為了獲得令人信服的結(jié)果，于教授的團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的校準(zhǔn)和調(diào)試才得到了清晰的自旋波信號(hào)，為之后的進(jìn)一步理論分析打下了可靠的基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中于教授的團(tuán)隊(duì)選擇了鐵磁絕緣體釔鐵石榴石薄膜材料，這種材料具有超低的阻尼系數(shù)，自旋波可在其中遠(yuǎn)距離傳播，他們通過(guò)電子束曝光與離子束刻蝕的方法設(shè)計(jì)制備了鐵磁金屬納米線陣列，并利用其動(dòng)態(tài)偶極相互作用在釔鐵石榴石薄膜中成功激發(fā)了短波長(zhǎng)自旋波。

圖：超短波長(zhǎng)自旋波色散曲線

國(guó)際化團(tuán)隊(duì)

于海明教授的團(tuán)隊(duì)中有來(lái)自多個(gè)國(guó)家的博士生與博士后，這是一個(gè)年輕、富有創(chuàng)新精神的國(guó)際化研究團(tuán)隊(duì)。在這種不同文化交流與碰撞的環(huán)境下，于教授的學(xué)生能夠?qū)W習(xí)不同文化的優(yōu)秀習(xí)慣，在不斷的溝通和探討中迸發(fā)思維的火花。來(lái)自德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Florian Heimbach博士與博士研究生Tobias Stückler就以他們研究問(wèn)題時(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)專注和對(duì)科研與日常生活時(shí)間的精確分配讓劉傳普博士與博士研究生陳濟(jì)雷印象深刻。由于組員來(lái)自世界各地，英文便成為了組會(huì)的交流語(yǔ)言，這對(duì)他們與國(guó)際頂級(jí)科研團(tuán)隊(duì)保持密切的合作交流提供了純天然的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際交流合作中不斷取得國(guó)際同行的認(rèn)可，國(guó)際影響力不斷提升。
 

圖：于海明教授的團(tuán)隊(duì)成員

結(jié)語(yǔ):

2018年4月24日《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》在線接收了于海明教授課題組題為“鐵磁金屬/絕緣體納米結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)磁振子耦合（Strong interlayer magnon-magnon coupling in magnetic metal/insulator hybrid nanostructures）” 的研究成果，在國(guó)際上首次觀測(cè)到了磁子-磁子間的強(qiáng)耦合作用，該發(fā)現(xiàn)將有助于在自旋波器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)突破。新成果的誕生離不開(kāi)日積月累打下的良好基礎(chǔ)，我們已經(jīng)目睹了巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用給人類帶來(lái)的巨大財(cái)富，當(dāng)前自旋電子的發(fā)展已經(jīng)處于成熟期，我們有理由相信，在整個(gè)自旋電子研究中心的不斷努力下，北航自旋電子的研究會(huì)取得更高水平的成果。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03199-8

自旋電子研究中心:

http://iriglobal.buaa.edu.cn/team/ResearchGroupLaboratory/61338.htm
 

策劃/文案：曹嘉輝

采訪：李明珠，譚莉莎

設(shè)計(jì)：楊彥卓

鳴謝：電子信息工程學(xué)院

編審：門戶網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室

投稿：geoos@buaa.edu.cn