北京航空航天大學集成電路科學與工程學院于海明教授團隊在新興交叉學科磁子學實驗研究方面取得突破性進展。于海明教授帶領團隊與合作者利用自旋波的干涉效應，在反鐵磁材料中成功實現了純自旋流的手性（左、右手）調控，為利用自旋波作為信息載體的新型磁子學器件的發(fā)展提供了重要實驗基礎。相關研究成果“Control of spin currents by magnon interference in a canted antiferromagnet”于2025年4月23日發(fā)表在Nature Physics（DOI: 10.1038/s41567-025-02819-7）。

自旋波（Spin waves）是自旋的集體進動模式，其量子化為磁子（Magnon）。磁子能夠在無焦耳熱耗散的情況下傳輸自旋信息，被視為下一代超低功耗新型磁子學器件的信息載體。反鐵磁絕緣體α-Fe2O3（近期也被歸類為交錯磁體）是Dzyaloshinskii和Moriya最早發(fā)現DM相互作用的材料之一，在室溫處于易面相，并具有極低的自旋阻尼因子（10-5），是自旋波在通訊頻段應用的理想材料。于海明課題組近年來在反鐵磁磁子學研究領域持續(xù)深耕，已取得系列重要成果：包括實現反鐵磁磁子的高速長距離傳輸 [Phys. Rev. Lett. 130, 096701 (2023)]，以及通過全電學自旋波譜觀測到反鐵磁零能隙磁子模式 [Phys. Rev. Lett. 134, 056701 (2025)]，并發(fā)表主題為《Perspectives on antiferromagnetic magnonics》的評論綜述 [Sci. Bull. 69, 3324 (2024)]。

圖 1. a. 反鐵磁自旋波示意圖。b. 反鐵磁自旋波干涉調控自旋流手性概念圖

自旋流的調控是自旋電子學應用的核心科學問題。在鐵磁材料中，由于時間反演對稱性破缺，自旋泵浦效應產生的自旋流必為右手手性；而反鐵磁材料內稟存在的兩個相反進動手性亞磁矩，為實現自旋流手性調控提供了獨特優(yōu)勢。本研究在室溫條件下成功實現了α-Fe2O3中自旋流手性的精確調控。在實驗表征方面，研究團隊采用具有高空間分辨率的布里淵光散射顯微技術（BLS），直接觀測到反鐵磁自旋波干涉形成的空間周期性干涉條紋；利用逆自旋霍爾效應（ISHE）實現對左右手自旋流的有效區(qū)分，并探測到振蕩的正負逆自旋霍爾電壓。結合日本理化所Maekawa教授的理論分析，揭示了兩種線偏振磁子干涉產生不同手性磁子的機制，闡明其傳播過程中建立的相位延遲是決定自旋流手性發(fā)生交替變化的關鍵因素。

圖 2 a. ISHE探測器件。b.自旋流手性調控機制。c. 頻域自旋波干涉條紋。d. 自旋流手性的交替變化

這項研究通過反鐵磁材料中的自旋波干涉效應，展示了高度可控的自旋流產生機制。研究團隊不僅通過BLS技術捕捉到空間上的自旋波干涉條紋，并通過純自旋流的電學檢測實現了自旋流手性的識別。這種基于頻率調控自旋電流極化的方法，可通過頻率可調的磁子自旋扭矩實現納米磁體的磁矩可控翻轉。該研究成果為相干反鐵磁自旋電子學的發(fā)展開辟了新方向，顯著提升了磁子作為下一代信息處理與計算載體的應用潛力。

圖 3 反鐵磁自旋波干涉的BLS空間域探測。

北航集成電路學院2024屆博士畢業(yè)生盛路通（現深圳國際量子院助理研究員）、瑞士洛桑聯邦理工大學博士生Anna Duvakina、瑞士蘇黎世聯邦理工大學博士生王涵晨（北航集成電路學院2022屆碩士畢業(yè)生）、日本理化所Kei Yamamoto研究員，英國劍橋大學博士生袁潤東（北航高工學院2023屆本科畢業(yè)生）為本文共同第一作者，瑞士洛桑聯邦理工大學Dirk Grundler教授和北航集成電路學院于海明教授為論文共同通訊作者，北京航空航天大學為第一單位。

該工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家留學基金委、深圳量子科學與工程研究院等項目的支持。