磁子-微波腔模强耦合体系的电学调控与检测

In recent years, significant progress in magnon-cavity mode strong coupling has offered a room temperature platform for coherently exchanging information between microwave and spin systems. To develop new spintronics devices using magnon-cavity mode strong coupling requires a new method for electrically detecting and manipulating spins. Therefore, we propose to study magnon-cavity mode strong coupling with the following three key items. (1) Spin valves will be made of NiFe alloy and coupled to a microwave cavity. By measuring the microwave transmission properties of the cavity using vector network analyzer,the role played by Gilbert damping in the coupling will be revealed . (2) A spin transfer torque will be introduced to the spin valve and used to drive the magnon by applying a charge current. A phase change of the microwave transmission induced by the spin transfer torque will be detected due to the strong coupling between the microwave and the magnon. By studying how spin current is involved in the strong coupling, we will develop a new method for electrically manipulating the strong coupling system. (3) Detecting voltage signals in the NiFe sample produced by the spin rectification effect will allow us to electrically detect the magnon phase. This research will explore magnon dynamics under strong coupling with microwaves and demonstrate a new electrical method of coherent information exchange between spin and microwave systems.

近年来，磁子与微波腔模的强耦合体系为室温下自旋和微波之间信息相干交换提供了一个理想模型，而探索强耦合体系的电学调控与检测已成为亟待解决的问题。因此，本项目提出（1）研究自旋阀结构中铁镍合金与微波腔模的强耦合，探索磁子进动阻尼在耦合中的作用，澄清影响磁性金属与微波腔模强耦合的关键物理因素；（2）在自旋阀中注入电流，产生自旋转移力矩，调控磁子的进动强度和相位；通过分析强耦合中微波腔的反射透射特性及其对自旋转移力矩的依赖关系，揭示自旋流参与强耦合的机制，发展一种电学调控磁子-微波腔模强耦合体系的新方法；（3）通过电检测铁镍合金上的自旋整流信号，分析自旋整流谱线的强度和线型特征，得到强耦合中磁子共振相位与微波相位的相干特性，进而实现电学读取强耦合中磁子的共振相位信息。本课题将揭示强耦合的电学调控和检测的物理机制、演示磁子与微波之间信息相干交换过程，为发展新型自旋电子学器件提供物理基础。

自2013年首次实验观察到磁振子与微波谐振腔的强耦合以来，基于微波谐振腔与磁振子耦合的腔自旋电子学得到了蓬勃发展，发展了很多新的自旋和自旋流的调控技术，为量子信息传输提供了信息转化平台。针对磁振子微波谐振腔耦合系统的可集成化的调控和检测，在该项目的支持下，我们按照课题任务书和时间规划正常执行, 研究内容和任务没有发生重大变化。本课题的主要研究成果有：.（1）我们制备了高品质的高温超导微波平面谐振腔，首次实现了平面谐振腔与反铁磁绝缘体CrCl3的耦合，并揭示了腔模与反铁磁中磁振子的声学模式、光学模式的耦合特征。.（2）我们制备了高质量的坡莫合金，与高品质微波谐振腔相匹配, 实现了磁性金属中磁振子与微波腔模的耦合。尽管磁性金属坡莫合金的阻尼较高(0.01)，得益于谐振腔的高品质因子，在耦合中我们仍然实现了协同因子高达0.8。.（3）我们系统研究了磁性材料界面上的相互作用和自旋流穿过界面的特征，优化了磁性材料中磁振子的界面调控和自旋流调控。.（4）在高品质微波谐振腔与高质量坡莫合金的耦合中，通过自旋整流效应，我们首次直接探测了耦合中磁子相位，并且通过自旋流实现了对耦合系统的调控。.该研究为全面获取强耦合系统的信息提供了实验方法，为强耦合系统的可集成化铺平了道路。.本课题执行期间共发表SCI论文9篇，另有2篇在审稿阶段。参加秋季物理学年会14人次，2人获得物理年会最佳海报奖；参加国际会议4人次，做邀请报告1次。培养博士研究生3人，硕士研究生3人，其中3名硕士已经毕业，3名博士生将于2022年春季学期毕业；出站博士后1人。