自旋波在磁性薄膜拓扑自旋态下的传播与调控研究

Magnonics, or magnon-spintronics, is an emerging, and rapidly growing, research field, positioned at the intersection of magnetism, spintronics and electronics, and dealing, in a broad sense, with magnetic phenomena connected with spin waves. The use of spin waves as information carriers allows the implementation of novel wave-based computing technologies free from the drawbacks inherent to modern electronics, such as dissipation of energy due to ohmic heating associated with electron transport. In addition, logic circuits based on wave interference and nonlinear wave interaction can be designed with much smaller footprints compared with conventional electron-based logic circuits. However, the excitation of short-wavelength spin waves and the manipulation of their propogation in nanoscale magnetic systems remains a significant challenge. Here, we will investiagte how to use topological magnetic configurations (skyrmion, domain wall) to excit spin wave with wavelength on the nanometer scale and manipulate their propagation. We have the following research tasks in this project: (1) use the energy gradients induced by the skyrmion nucleation and annihilation and the eigen-mode of skyrmions to excite nano-scale spin waves; (2) investigate the possibility of using two-dimentinal skyrmion crystals as waveguide for spin wave propagation and the possibility for designing novel nonreciprocal microwave devices; (3) investigate the channeling of spin waves along domain walls as well as the phase manipulation of spin wave vis controlling the chirality of domain walls.

近年来研究自旋波传播的领域被称为磁振子学（Magnonics)或磁振子自旋电子学（Magnon-spintronics)，是现代磁学和电子学的一个交叉学科。由于自旋波的产生与传播均不依赖载流子的迁移效应特点，利用其进行信息处理的新型信息架构将具有低能耗、可重写、高频率等独特的优点，因此可突破微电子电路中热耗散、RC 迟滞等问题。但是，自旋波在纳米尺度的自旋电子元件中的应用仍然面临重大的挑战，包括纳米波长自旋波的有效激发以及自旋波传播的有效调控。该项目将探索如何利用拓扑自旋结构(斯格明子，畴壁)来有效的激发纳米波长的自旋波以及调控自旋波的传播。具体的研究任务为：(1)利用斯格明子的产生和湮灭引起的局部能量梯度以及斯格明子的本征振动模式来进行自旋波的激发；(2)研究利用二维斯格明子晶体作为自旋波传播通道的可行性; (3)研究自旋波沿纳米磁畴壁的传播以及利用畴壁的手性调控自旋波的相位。

近十年，拓扑自旋结构和磁振子学是磁学领域和凝聚态物理领域中两个非常热门的研究热点。其中，磁斯格明子的产生机理、动态调控；纳米结构中的磁相互作用对磁振子模式的影响；磁振子与不同元激发之间的强耦合作用等研究引起了科研人员的广泛关注。该项目执行期间围绕着磁斯格明子和自旋波两个主题进行了一系列的实验和理论工作。(一) 关于磁斯格明子的研究：首先，针对磁性薄膜材料中磁斯格明子的形成无序性，我们提出了一种基于人工合成反铁磁多层膜的磁斯格明子产生机理，并从实验上利用磁成像、磁化曲线、反常霍尔电阻等表征方法进行了验证，在此基础上提出了一种基于磁斯格明子的忆阻器模型；其次，针对室温零磁场下磁性薄膜材料中磁斯格明子的密度非常低的问题，我们提出了一种利用一阶翻转曲线提高室温零磁场条件下磁斯格明子密度的方法，并进行了实验验证；再次，利用自旋转移矩可以驱动磁斯格明子运动的特性，我们分别提出了一种基于磁畴串的多位存贮方案和一种可集成化地产生太赫兹信号的方案，并且利用模拟计算进行了验证。(二) 关于自旋波(磁振子)的研究：首先，我们提出了一种基于二维周期排列的磁性纳米棒的人工自旋冰结构，预言了该结构中的磁阻挫现象可以通过自旋波信号表现出来，并从实验和模拟计算上进行了验证；其次，我们提出了一种利用单个磁性纳米盘中不同空间局限模式的磁振子-磁振子相互作用研究量子强耦合现象的机制，并利用模拟计算进行了验证；再次，我们提出了一种利用人工合成反铁磁多层膜中层间光学磁振子与声学支磁振子之间的相互作用研究量子强耦合现象的机制，并利用模拟计算进行了验证。