PRL: 补偿型亚铁磁绝缘体中手性磁振子的电学激发和探测

近日，Phys. Rev. Lett.在线发表了清华大学江万军副教授和北京师范大学沈卡教授课题组的研究论文，题目为「Electrical Excitation and Detection of Chiral Magnons in a Compensated Ferrimagnetic Insulator」，论文的第一作者为Ledong Wang和Laichuan Shen。

磁振子是集体自旋的进动模式，越来越受到磁学界的关注。根据磁振子相对于外磁场（H）的进动方向，可以有右手性（RH）和左手性（LH）磁振子手性。然而，铁磁体中的磁振子手性固定为RH模式。这是由于作用于磁化m的力矩（τH = γm × H）被锁定在RH方向上，这是电子自旋的负旋磁比（γ）的结果。在反铁磁体中，RH和LH磁振子的手性都可以在THz频率范围内发现，这仍然是调制它们手性的挑战。相比之下，补偿型亚铁磁体可以适应净磁化和角动量的平行和反平行构型，可以作为研究GHz频率范围内磁振子手性的替代平台。这些手性磁振子可以被电流及其产生的自旋力矩激发，这可以用于GHz器件应用。

在此研究中，作者从实验和理论上研究了Gd₃Fe₅O₁₂ (GdIG)/Pt双层中的自旋力矩铁磁共振，其中讨论了类阻尼力矩电压（VDL）的符号反转及其与低频左手和右手磁振子手性的关系。通过分析VDL在不同温度下的演变，研究发现在T TA ≈ 267 K的温度范围内，VDL特征具有RH磁振子的负符号。在TM TA）的反向低频磁振子手性。这项研究结果为电学驱动和探测手性磁振子提供了一条可行的途径，这可能为开发GHz手性自旋电子学铺平道路。

图1 | (a) 补偿型亚铁磁体中与温度相关的亚晶格磁化(M1,2)和角动量(S1,2)；(b) 在TTA温度下磁振子手性相对于净角动量方向的示意图。

图2 | (a) ST-FMR测量装置示意图；(b) 在12 GHz和300 K时测得的ST-FMR电压(V)随H的变化；(c) 在9 GHz时不同温度下的ST-FMR电压；(d) VDL和VSSE振幅、VDLa和VSSEa以及共振场Hr随温度的变化。

图3 | 在6至11 GHz的频率范围内，在320、258和100 K下测量的VDL。

图4 | (a) GdIG/Pt双层中在1 kOe时计算的共振频率随温度的变化；(b) 在三个特征温度下计算的VDL，其中阻尼系数固定为0.003；(c) 色散关系(ω-Hr)。

论文链接：

Wang, L., Shen, L., Bai, H. et al. Electrical Excitation and Detection of Chiral Magnons in a Compensated Ferrimagnetic Insulator. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 166705. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.166705

其他相关文献：

[1] Liu, Y., Xu, Z., Liu, L. et al. Switching magnon chirality in artificial ferrimagnet. Nat. Commun., 2022, 13, 1264. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28965-7

[2] Kim, S.K., Beach, G.S.D., Lee, KJ. et al. Ferrimagnetic spintronics. Nat. Mater., 2022, 21, 24–34.

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