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Nanomagnonics group

Intro block 主要从事线性和非线性自旋波在纳米结构中的传播特性的研究,主要包括自旋波集成器件;逆向设计磁子器件;磁子-声子/光子/超导间的相互作用等

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Introduction to the laboratory
纳米磁子学课题组是一个年轻的课题组,主要研究方向在纳米结构中的磁化动力学。磁子学是自旋电子学的一个子领域,它主要利用自旋这个自由度来传播和处理信息。自旋波,其量子态为磁子,是磁性材料中磁矩的非一致进动。本课题组的主要研究方向 包括: 1. 线性和非线性自旋波在纳米结构中的传播特性 2. 基于自旋波的纳米集成器件 3. 逆向设计磁子学(通过AI等手段辅助设计各种功能的磁子器件) 4. 磁子声子相互作用 5. 磁子和超导相互作用 6. 布里渊光散射光谱仪(磁子和光子之间的相互作用)

实现高效激发交换作用自旋波

8月11日,Science旗下子刊《Science Advances》在线发表了王棋教授课题组在自旋波深度非线性方面取得的最新研究成果[Science Advances, 9, eadg4609(2023)],论文题目为《利用深度非线性效应激发自归一化的短波长自旋波》(Deeply nonlinear excitation of self-normalized short spin waves)。物理学院王棋教授为论文第一作者兼唯一通讯作者,华中科技大学为论文第一完成单位。乌克兰磁学研究所研究院Roman Verba博士提供理论计算支持,奥地利维也纳大学Andrii Chumak教授,德国凯泽斯劳滕大学Philipp Pirro教授参与了相关工作。

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。

非线性效应是自旋波相对于光波的一大优势,在日常生活中,我们增加光的强度时,光的颜色(波长)一般不会改变。但对于自旋波这是完全不一样的,当我们增加自旋波的功率时,自旋波的“颜色”(波长)是会变化的。在过去的研究中,这个波长的变化范围是很小的。最近,王棋教授课题组基于自旋波的非线性理论。制备了纳米尺度的钇铁石榴石自旋波波导,使得纳米波导中自旋波“颜色”的可以随不同的自旋波功率从几个微米变短到几十个纳米,并利用微磁学仿真和微聚焦的布里渊散射光谱实验验证了理论假设,如图1所示。最终在实验中实现了波长200纳米的自旋波的有效激发,微磁学仿真中还预言在其他材料体系中可以实现波长40纳米自旋波的有效激发。同时,由于非线性偏移是自锁定效应,因此激发的自旋波强度恒定不变且与输入微波功率无关,从而能够在未来的集成磁子电路中提供稳定的自旋波源。

                                                 图1:利用深度非线性效应激发超短自旋波原理图

论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg4609

基于自旋波的纳米集成器件

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)

 

纳米结果中自旋波的线性和非线性特性

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)

 

逆向设计自旋波器件

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)

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