磁子型器件有望構成繼基於電荷流的第一大類半導體/微電子器件和基於自旋極化電流的第二大類自旋極化電子器件之後的基於磁子流的第三大類固態磁子型器件，有望為未來信息科學和技術的可持續發展帶來更加廣闊的發展空間。
從物理角度上講，除了電子這一自旋的載體，其它中子、磁子等粒子或者準粒子也可以攜帶自旋角動量信息。特別是磁子(即磁激子或磁振子的簡稱)，它可通過鐵磁、亞鐵磁或反鐵磁絕緣體中自旋晶格的元激發獲得，並且磁子是電中性的，可以用作理想的信息載體，它有如下優點。
首先，磁子的波動性提供了一些基於電子的傳統自旋器件無法實現的功能。磁子提供了沒有焦耳熱的長距離自旋信息傳遞的新方法，可以避免電荷流產生的焦耳熱問題，從而極大地降低自旋器件的功耗。
其次，磁子基於自旋波的相干特性和非線性的相互作用，可以產生更為新奇的物理現象和器件應用。對其相位的調製為信息的操控提供了另外一個自由度，從而可以實現非布爾邏輯運算功能。
關於磁子自旋輸運的研究方興未艾，甚至一個關於它的新興學科——磁子學(Magnonics)正在應運而生。磁子型器件除了利用磁子實現數據存儲和邏輯運算外，還包括磁子自旋與電子自旋之間的相互轉換，從而可以實現新型磁子電路與電子電荷及電子自旋兩類傳統電路之間的相互集成和功能轉換；此外，磁子的量子特性也可以產生其它宏觀量子現象，例如自旋超流體和磁子約瑟夫森效應等。
中科院物理所韓秀峰研究員課題組在國際上率先研製出了可用於磁子信息調控的磁子閥(Magnon Valve)和磁子結(Magnon Junction)等磁子型元器件。首先，他們採用能與工業化生產相兼容的磁控濺射技術等方法，通過反覆實驗優化探索，首選具有室溫鐵磁性的釔鐵石榴石Y3sub>Fe5O12 (YIG)磁性絕緣體作為上下極、非磁性金屬Au作為中間層、在GGG襯底上異質外延製備出了高質量的核心結構為磁性絕緣體(MI)/非磁性金屬中間層(NM)/磁性絕緣體的磁子閥(MI/NM/MI)，並且在該YIG/Au/YIG結構中首次觀測到和發現了磁子閥效應(Magnon Valve Effect)，即通過兩層磁性絕緣層的相對磁化方向取向可以調控磁子流的大小[Hao Wu and X. F. Han et al., Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 097205, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.097205, Editors’ suggestion & Featured in Physics]。
為了構造完全電絕緣和純磁子流調控的磁子閥元器件，該團隊進一步優選反鐵磁絕緣體NiO作為中間層，在國際上又率先成功製備出了核心結構為磁性絕緣層(MI)/反鐵磁絕緣層(AFI)/磁性絕緣層(MI)的新型磁子結(MI/AFI/MI)，並研究了YIG/NiO/YIG中磁子流的輸運性質。通過在磁子結兩側施加溫度梯度來激發MI中的磁子流，發現其中一個MI磁性絕緣體層中的磁子流將受到另一個MI層的影響，而且是通過反鐵磁絕緣體中磁子流的傳遞來實現的。通過在頂部重金屬Pt層測量穿過磁子結的磁子流，發現測量到的逆自旋霍爾(Inverse spin Hall effect, ISHE)電壓取決於兩個MI層的磁化相對取向，進而可以產生類比過去磁性隧道結(Magnetic tunnel junction, MTJ)的新型磁子結(Magnon Junction)效應。同時該新型磁子結可以實現比磁子閥更高的開關比。新型磁子結器件，因其對純磁子流的調控能力，有望成為磁子信息傳遞和邏輯運算的核心元器件，可以為構建純磁子電路奠定核心元器件基礎。
該項工作的最新相關研究進展已發表在《物理評論B》上[C. Y. Guo, C. H. Wan & X. F. Han et al., Phys. Rev. B. 98 (2018) 134426]。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院有關項目的經費支持。
相關鏈接：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.134426
http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201901/P020190111687107793681.pdf
圖1. GGG//YIG(100)/NiO(15)/YIG(60 nm) 磁子結的微觀結構。(a) 器件TEM截面圖；(b) GGG//YIG(100 nm)界面的高分辨TEM圖；(c) YIG(100)/NiO(15)/ YIG(60 nm)界面的高分辨界面TEM圖；(d) 底層YIG和(e)通過傅里葉變換HRTEM圖獲得的頂層YIG的選區電子衍射圖；(f) 磁子結的自旋塞貝克信號測量佈置，磁場方向延x方向。
圖2. (a) 磁子結與對比樣品(NiO厚度分別為6、8、15、20和30 nm的磁子結樣品)的臨界翻轉磁場隨溫度的變化關係，該數據是通過自旋塞貝克信號測試；(b) 磁子閥效應的VAP/VP比值隨溫度的變化關係，插圖展示tNiO =6 nm的磁子結在260K的自旋塞貝克信號的探測結果。在反平行狀態下此磁子結中的磁子流在一定條件下可以完全關斷；(c) 磁子結厚度同lnδ隨溫度的依賴關係，並得到磁子結中NiO的磁子擴散長度。插圖展示NiO中的磁子擴散長度λNiO在150K溫度時為4nm左右。
閱讀更多 量子之聲 的文章
