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本期推介
铁电极化调控下手性自旋波传输研究
自旋可以粒子态的自旋流或者波形态的自旋波的方式进行传输，从而以自旋—轨道耦合的方式作用到磁性存储材料中，对其磁基态实现存写与读取，从而助力高集成、低功耗的自旋电子学器件的研发及应用。美国Intel公司提出的磁电自旋轨道器件(MESO)器件，正是利用铁电-铁磁之间的相互作用，通过铁电极性调控铁磁磁矩，改变自旋轨道耦合产生的电流，实验室实现了比互补式金属-氧化物-半导体(CMOS)晶体管更低能耗、更高密度的逻辑器件，是自旋电子器件继磁阻效应应用于计算机硬盘后的又一重大突破。
相比于粒子态的自旋流，自旋波的传输主要以磁性材料中局域磁矩谐振的方式进行，很大程度上避免了粒子碰撞散射等因素所导致的焦耳热，不仅能确保器件的持久性与低能耗，还有望构筑超高速率（吉赫兹至太赫兹）的计算单元器件。为进一步利用与开发自旋波的这些优势，科学家们一直致力于提升自旋波传输距离[1]、增强自旋-轨道耦合强度[2]等特性。然而，为贴合当下的电路集成与逻辑运算，如何从多维度调控自旋波传输成为当前的研究焦点，其关键不仅在于自旋波载体材料的选择与改性，还在于自旋波信号的多样化读取。
信号传输的多维化调控取决于体系的物理自由度及其对电、力、磁等外场的响应效率。对自旋波而言，反铁磁绝缘体铁酸铋（BiFeO3）是一种较为理想的信号载体。其不仅能杜绝了载流子散射的可能性，还充分利用了反铁磁的长程自旋相干性[3]，有利于传输较长距离的自旋波。另外，BiFeO3作为室温多铁性材料，其本征的磁电耦合特性允许通过施加电场来调控反铁磁的排列方向以及手性摆线状磁织构（如图1a所示）[4]，有望实现多场调控的集成化自旋波导器件。
最近，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究团队在BiFeO3异质结体系中取得了关于自旋波传输的重要进展[5]。他们提出通过改变BiFeO3的铁电极化来调控摆线状磁织构的手性，从而非易失地改变自旋波的传播效率，该想法得到了理论模拟的支持（图1b）。这种自旋传输的电场调控可用于研发以BiFeO3异质结为核心的MESO（如图1c）。其工作原理为，在上层金属性材料中输入横向电流，利用自旋霍尔效应产生层堆垛方向的自旋流并以波的形式进入BiFeO3层中，经过BiFeO3层的手性磁织构调节，自旋波将穿透BiFeO3层厚并以自旋流的形式输出至底层金属材料，最终利用底层金属材料的逆自旋霍尔效应将自旋流转换为电流得以读取。当BiFeO3的铁电极化态发生180°翻转时，摆线状磁织构将呈现相反的磁手性，从而影响自旋波的实际传输效率，最终体现为底层金属材料中电压信号的强弱转换，实现“0-1”的二进制信号转换。
图1. (a) 摆线状磁织构的示意图；(b) 极化翻转对自旋波传播效率的影响；(c) 基于金属/BiFeO3/金属异质结的MESO器件结构图。
基于MESO器件的设想，为实现多角度读取BiFeO3调控下的自旋波信号传输，该团队进一步制备了铁磁层/BiFeO3/SrIrO3的异质结材料，并利用自旋矩—铁磁共振（ST-FMR）技术（如图2a-c）和电控磁矩翻转技术（如图2d-f）分别从高频与低频两个技术角度成功证实了BiFeO3磁手性作用下自旋波传输效率的电场可控性。最终，自旋波作用于底层铁磁层磁矩上，导致磁矩发生高频进动及180°翻转，实现了以输入电流和门控电压为协作变量的新型磁性存储器件，奠定了以MESO为代表的新型自旋电子学器件研发的坚实基础。
图2. (a-b) 针对La0.7Sr0.3MnO3/BiFeO3/SrIrO3的ST-FMR测量示意图(a)以及原始数据(b)；(c) 铁电翻转条件下，自旋流的信号强弱调控；(d) 针对SrRuO3/BiFeO3/SrIrO3的电控磁矩翻转实验示意图；(e) 电控磁矩翻转的霍尔信号；(f) 不同铁电极化下，磁矩翻转所需的临界电流对比。
此外，该团队还通过非局域化自旋流输运测量手段，进一步开发了BiFeO3的长程自旋信号平面内的传输功能及相应的手性调控响应。他们在低频交流电的测量模式下获取一阶与二阶电学信号（图3b-c），并以此来分别表征量化自旋霍尔效应和自旋塞贝克效应，从而证明自旋波的有效传递。随着外加电场的改变，铁电极化发生翻转的同时，两种电学信号出现了明显的回滞现象，证明了磁手性对平面内长程自旋波传输的非易失性调控作用。更关键的是，这种手性自旋波传输距离可以延展至微米量级（图3d），充分揭示了BiFeO3及手性自旋波传输在长程自旋态输运领域积极且又美好的应用前景。
图3. (a) 非局域自旋输运及探测示意图；(b) 一阶非局域电信号；(c) 二阶非局域电信号；(d) 非局域电信号与空间跨距的依赖关系。
综上所述，该工作实现了自旋波的手性传输现象，证明了BiFeO3作为自旋波载体的高效性和非易失可控性，提供了一种新型多场响应的自旋电子学器件设计思路，突破了目前关于MESO器件的集成化与多维化操控的技术瓶颈。这一新技术的提出，为将来非共线磁结构的研究、多铁材料的应用、微波发射与传导、类脑存储器件等诸多科研与应用领域开辟了新的路径，有望引领磁电自旋耦合的发展浪潮。
铁电材料应用于自旋电子器件，利用晶格-电荷-自旋-轨道之间的相互作用，可赋予其多种的功能调控，同时，铁电的电场调控相较于铁磁的磁场调控，控制精度更好、调控更便捷、耗能更低，是未来信息存储和处理的一个重要研究方向。但铁电-自旋电子器件仍需克服诸多难题，如制备工艺复杂、集成难度高、精确调控难等问题。未来铁电-自旋电子器件的研究和开发仍需突破新型器件的结构设计和功能开发，实现其在信息存储和运算等方面的实际应用。
推介人
舒新愉，清华大学，博士后。主要致力于关联材料的磁性物理研究及相关器件应用开发。
于浦，清华大学，教授。主要致力于新型关联材料的原子精度设计和制备，以及基于离子调控的物性探索。
参考资料
[1] Cornelissen, L. J.; et al. Long-distance transport of magnon spin information in a magnetic insulator at room temperature. Nature Physics 2015, 11(12), 1022-1026.
[2] Sinova, J.; et al. Spin Hall effects. Reviews of Modern Physics, 2015, 87(4), 1213.
[3] Kim, S. K.; et al. Ferrimagnetic spintronics. Nature Materials, 2022, 21(1), 24-34.
[4] Rovillain, P.; et al. Electric-field control of spin waves at room temperature in multiferroic BiFeO3. Nature Materials, 2010, 9(12), 975-979.
[5] Huang, X.; et al. Manipulating chiral spin transport with ferroelectric polarization. Nature Materials, 2024, 23, 898-904.
前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中国科学院物理研究所
END
设计：不言
排版：不言
美编：农民
责编：理趣
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