在极其简单的材料中产生超短自旋波

【编者按】由于相邻电子的自旋相互感应，一个自旋变化可以传播到相邻电子。结果是磁性信号像波一样穿过材料——自旋波。自旋驱动组件的优势在于，它们产生的热量非常少，这意味着它们可能会消耗更少能源——这对智能手机等移动设备来说非常有趣。由于自旋波的波长比类似电磁信号要短得多，例如在移动通信中，也有可能使某些应用的元件进一步小型化。这意味着我们可以在芯片上安装能比现在更多的电路。

用磁涡流引起自旋波

在能做到这一切之前，首先需要更多的基础研究。例如需要知道如何有效地产生自旋波。专家们试图解决这个问题已经有一段时间了，将微米大小的金属条连接到薄磁性层上。交流电通过这条带产生磁场被限制在一个非常小的空间。这个磁场会激发磁层中的自旋波。但是这种方法有一个缺点：很难使产生的自旋波波长小于金属条宽度，这不利于纳米结构高度集成元件的发展。

然而，还有另一种选择：一种形状为圆形圆盘的磁性材料能唤起磁涡旋的形成，而磁涡旋的核心尺寸不超过10纳米。磁场可以使涡旋核发生振荡，从而在这一层触发自旋波。一段时间以前，需要相对复杂的多层材料来实现这一点。现在已经成功地用一种非常简单的材料从涡旋核心发出了自旋波，研究人员使用一种易于制造的镍铁合金层，厚度约为100纳米。

出乎意料的短波长

值得注意的是产生自旋波的波长只有80纳米，在MPI-IS的博士论文中对这一现象进行了研究的Georg Dieterle博士说：专家们对在如此简单的材料中做到这一点感到惊讶，我们也没想到能在低千兆赫的频率范围内产生这样的短波。专家认为短波长的原因在于它们传播的方式。自旋波靠近镍铁层的横截面中心，形成一种“结”，其中磁方向只上下振荡，而不是沿着通常的圆形轨迹。为了使这些现象可见，研究小组在柏林亥姆霍兹中央区的电子储存环BESSY II上使用了一种特殊的x射线显微镜。

MPI-IS主任吉塞拉·舒茨(Gisela Schutz)教授强调说：这是地球上唯一一个提供必要空间和时间分辨率的地方。没有这台显微镜，就无法观察到这些效果。现在专家们希望他们的研究结果将有助于进一步发展自旋电子学。迪特尔说：例如涡旋核可以作为一个局部、可控的源，用来探索潜在的现象，并利用自旋波成分开发新的概念，观察到的自旋波可能在未来与高度集成电路有关。

博科园-科学科普｜研究/来自:亥姆霍兹德国研究中心协会

参考期刊文献:《物理评论快报》

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