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研究背景

磁振子（magnon）是自旋波的量子化形式，因其能夠在不攜帶電荷且不伴隨焦耳熱耗散的情況下傳播，被廣泛應用于量子計算、邏輯電路和信息傳輸等領域。與傳統的電子載流子相比，磁振子具備長距離傳播、低能耗和無熱耗散等優勢。然而，在室溫下實現長距離傳播的磁振子邊緣態仍然存在材料阻尼高、自旋波通道難以優化等問題，給集成化磁振器器件的研發帶來了巨大挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，北京師范大學張金星教授團隊、沈卡、北京航空航天大學于海明教授等人攜手在Nature Materials期刊上發表了題為“Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states”的最新論文。該團隊通過原子級的晶格應變設計，制備了錳酸鹽薄膜，成功實現了長距離傳播的手性磁振子邊緣態。這種薄膜具有毫米級長度的反鐵磁耦合自旋螺旋結構以及低磁性吉爾伯特阻尼（約3.04 × 10??）。

研究人員利用動態偶極相互作用，揭示了手性磁振子邊緣態的形成及其與螺旋紋理中磁振子的強耦合機制。他們觀察到一種具有穩健手性的混雜磁振子，這種狀態可以通過外加磁場的不同閾值角度可逆地開關。

研究亮點

1. 實驗首次在錳酸鹽薄膜中實現了手性磁振子邊緣態的長距離傳播，得到了毫米級長度的反鐵磁耦合自旋螺旋結構和低磁性吉爾伯特阻尼（約3.04 × 10??）的材料體系。這一成果為室溫條件下集成磁振器器件的開發提供了可能性。

2. 實驗通過觀察非互易性自旋波傳播，揭示了動態偶極相互作用在手性磁振子邊緣態產生與混雜過程中的關鍵作用。研究發現，該手性邊緣態的傳播具有類似Damon–Eshbach模態的手性特性，并且高度局域化，可以沿納米通道邊緣傳播超過百微米。

3. 實驗通過分析螺旋紋理中的強磁振子耦合，發現了混雜磁振子在外場作用下的可逆和選擇性開關行為。這些磁振子能夠在不同閾值角度下穩定存在，其手性傳播特性顯示出極大的調控潛力。

4. 實驗利用外延應變技術精確設計了晶格參數，同時實現了磁性阻尼的降低和長自旋波納米通道的構建。研究表明，強關聯氧化物的自旋紋理和阻尼特性可以通過材料的電子能帶與自旋結構協同設計進行有效調控。

圖文解讀

圖1：應變工程自旋螺旋中激發的磁振子模式。

圖2：在動態偶極相互作用下觀察非互易光學磁振子。

圖3：強磁振子–磁振子耦合的觀測。

圖4：手性磁振子邊緣態。

圖5：長距離傳播手性邊緣態的可逆和選擇性切換。

結論展望

本文的研究為磁振子邊緣態的實現和調控提供了新的思路與平臺。通過原子級設計晶格應變，成功實現了低阻尼、超長準反鐵磁紋理，這為室溫下手性磁振子邊緣態的高效傳播奠定了基礎。這一研究表明，強偶極耦合作用在手性磁振子邊緣態的產生與調控中起到了至關重要的作用。最具啟示性的是，通過外場調控螺旋紋理的方向，可以實現磁振子邊緣態的可逆開關，這種非易失性調控為未來量子技術的應用提供了新的方向。

此外，本文揭示了磁振子與其他玻色子耦合的潛力，這對于進一步探索磁性材料中的新型激發態及其量子行為具有重要意義。隨著自旋波、磁振子等磁性激發態在低維系統中的研究深入，集成磁振器器件在信息存儲、量子計算等領域的應用前景將更加廣闊。因此，設計低阻尼材料和調控自旋紋理的策略，成為推動下一代量子信息技術發展的重要方向。

文獻信息

Zhang, Y., Qiu, L., Chen, J. et al. Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states. Nat. Mater. 24, 69–75 (2025).

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