近日，我院2021级本科生王悦齐在“纳米磁子学物理与器件”课题组王棋教授的指导下，以第一作者的身份在期刊《Physical Review Applied》上发表了题为“Fast switchable unidirectional forward volume spin-wave emitter”的研究论文。课题组研究生郭梦莹为论文的共同第一作者，王棋教授为论文的通讯作者，华中科技大学为论文的第一完成单位。此外，奥地利维也纳大学、乌克兰基辅磁学研究所、德国耶拿INNOVENT研究所以及德国凯泽斯劳滕工业大学的研究人员在本项研究中做出了重要贡献。
随着自旋电子学的快速发展，自旋波或其元激发——磁子（magnon）在信息处理和通信中的应用潜力逐渐显现。自旋波作为磁性材料中的集体激发模式，具有无焦耳热传输、纳米尺度波长以及高工作频率等独特优势，为后摩尔时代的新型计算器件的研发打开了新思路。在这项研究中，课题组提出了一种基于前向体积自旋波（FVSWs）的单向磁子发射器，通过直流诱导的非对称奥斯特场实现了自旋波的单向激发，并实现了激发方向的快速切换。这一创新方法克服了传统Damon-Eshbach（DE）模式中单向激发方向不易切换的局限性，为高速、低功耗的磁子电路设计提供了新的可能性。
在研究中，利用微磁学仿真和实验相结合的方法，设计了一种基于钇铁石榴石（YIG）波导的单向磁子发射器。通过在天线中施加直流电流，产生非对称的奥斯特场，导致自旋波在一侧形成势垒、另一侧形成势阱。在合适的频率范围内，磁子波在势垒侧被大幅抑制，而在势阱侧则能顺畅传播，从而实现了单向且可切换方向的磁子发射器。通过微聚焦布里渊光散射实验和微磁学模拟，课题组进一步证实了该方法在纳秒级尺度内即可完成单向激发方向切换，为高速自旋波计算网络的实现提供了新思路。图1展示了实验装置的示意图以及自旋波色散曲线的变化，图2则通过频率扫描曲线验证了非互易性的存在及其可切换特性。
图1：(a) 单向磁子发射器的实验装置示意图；(b) 外部磁场与奥斯特场的叠加；(c) 自旋波色散曲线在奥斯特场作用下的变化。
图2：(a) 无直流时的自旋波频率扫描曲线；(b) 施加直流后的非互易性频率扫描曲线；(c) 非互易性系数随频率变化的实验结果与理论对比；(d) 非互易性的频带宽度
王悦齐同学于2023年10月加入王棋教授的“纳米磁子学物理与器件”课题组，开始了自旋波微磁学仿真与实验的系统学习。在这一年半的科研实习中，王棋教授和课题组的研究生为王悦齐同学提供了全方位的指导与支持，帮助其深入理解磁子学的基础理论并掌握实验技能。在王棋教授的悉心指导下，王悦齐同学先后在2024年5月的磁子学研讨会和2024年12月的第十三届全国磁性薄膜与纳米磁学会议上作学术汇报，最终以第一作者的身份在Physical Review Applied上发表了这一重要研究成果。
王棋教授课题组（http://nanomagnonics.phys.hust.edu.cn/）长期致力于纳米磁子学物理与器件的研究，目前课题组包括1名博士后、1名博士、3名研究生和3名本科生。课题组欢迎对磁子学、自旋电子学及相关领域感兴趣的优秀本科生加入，开展科研训练研究。
论文可点击“阅读原文”查看。
