自旋波（Spin Wave），其量子态为磁子（Magnon），是磁性材料中磁矩的非一致进动，可以在导电或绝缘的磁性材料中传播，其传播不涉及电荷的定向移动，因此具有较低的能耗。同时其频率可高至太赫兹，波长可短至几纳米。由于低能耗，高频率，短波长和良好的非线性效应等特性，使得磁子在信息传输和处理中具有潜在的优势，近年来引起了广泛的关注。但高效的激发短波长自旋波仍具有很大的挑战。

本项目主要研究基于自旋波的纳米尺度的逻辑器件，通过微磁学仿真设计并验证器件可行性，再通过微纳加工工艺制备各种不同的自旋波器件，最后通过微聚焦布里渊光散射光谱仪测试自旋波在器件中的各种功能。

                                                  图1：基于自旋波的纳米尺度定向耦合器

参考文献：

Q. Wang, et al., A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders, Nat. Electron. 3, 765-774 (2020)

Q. Wang, et al., Reconfigurable nano-scale spin-wave directional coupler, Sci. Adv. 4, e1701517 (2018)

Q. Wang, et al., A nonlinear magnonic nano-ring resonator, NPJ Comput. Mater. 6, 192 (2020)

主要研究自旋波在纳米尺度磁子波导中的线性和非线性相互作用，最近，我们的研究工作主要聚焦于自旋波的深度非线效应。

非线性效应是实现计算的主要效应，自旋波相对于光波最大的优势就是其较强的本征非线性效应。在日常生活中，我们很难通过改变光的强度来调节光的颜色（波长）。但是在自旋波中，自旋波的颜色是可以随自旋波强度（功率）的改变而改变的。在过去的研究中，这种改变的幅度是很小的，但是我们最新的研究表明，只要适当的构建纳米尺度自旋波波导，自旋波的颜色（波长）就能从几个微米调节到几十个纳米，这中大范围的调节为我们研究自旋波逻辑器件等后续的研究工作奠定了理论接触。

                                                            图1：深度非线性效应激发超短自旋波

参考文献：

Q. Wang, et al., Deeply nonlinear excitation of self-normalized short spin waves, Sci. Adv. 9, eadg4609 (2023)

Q. Wang, et al, Spin pinning and spin-wave dispersion in nanoscopic ferromagnetic waveguides, Phys. Rev. Lett. 122, 247202 (2019)

本课题主要采用计算辅助设计不同功能的磁子器件，然后通过微纳加工制备，并通过微聚焦布里渊光散射测试其功能。相比于传统的人工从头设计，计算机辅助设计将极大加快设计流程，节约设计时间，提高效率。下图为计算设计的基于自旋波的环形器。正因为计算机辅助设计能极大的降低设计难度，因此可以用以设计更为辅助的器件，例如基于自旋波的神经网络等。

                                                                  图1：逆向设计自旋波环形器

参考文献：

Q. Wang, A. V. Chumak, and P. Pirro, Inverse-design magnonic devices, Nat. Commun. 12, 2636 (2021)

Aadm Papp, et al., Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference. Nat. Commun. 12, 6422 (2021)