中国科学家发现超薄材料中高值自旋导率，并实现长距离自旋输运，让基于自旋的新器件设计成为可能

对于石榴中国人并不陌生，相传由出使西域的张骞将石榴栽培引入中国。其紧密排列的籽粒，也成科学家在命名化学物时的灵感来源。

我们生活的地球，主要由地壳、地幔、地核等圈层构成。而地幔又分为上地幔和下地幔。在上地幔中，造岩矿物——是针对组成岩石的矿物的统称。

石榴石，便是上地幔的造研矿物之一。这种矿物的晶体组成，和石榴籽的形状和颜色都十分相似，故被称为石榴石。

钇铁石榴石（yttrium iron garnet,YIG），是石榴石中的一类，其化学式为 Y3Fe2（FeO4）3，凭借其磁性以及磁光性质，已被用于微波仪器和光学通讯仪器上。尽管钇铁石榴石是一种绝缘体，但是我们依然可以利用其中一种叫自旋波（spin wave）或磁振子（magnon）（磁振子是自旋波的量子化形式，在下文中不再进行区分。）的准粒子进行信号的传递。

近日，中科大校友、荷兰格罗宁根大学纳米器件物理课题组博士生魏向阳和所在团队，报道了如下发现：在室温下，厚度为 3.7nm 的超薄钇铁石榴石薄膜的磁振子自旋导率（magnon spin conductivity）相比于普通的钇铁石榴石材料有了非常大的提高，同时在厚度变薄的过程中，磁振子所占据的二维子带数目从极大降低到极少，这可能伴随着三维到二维自旋波输运的转变。

同时，磁振子在室温下的二维体系中依然可能具有很高的自旋导率，可给开发低耗散、磁振子基的自旋电子器件打开新思路。

（来源：Nature Materials）

在相关论文的投稿过程中，评审专家认为：“这个课题对于当代自旋电子学是很有价值的。长距离的自旋输运，使得新的基于自旋的器件设计成为可能，并为自旋波动力学开辟了新机会。作者在论文中介绍的有趣的物理现象、以及所发现的非常高的自旋导率，让这份工作不仅可以引发相关领域专家们的兴趣，也会在更广的范围引起大家的兴趣。

其应用前景主要围绕磁振子这一独特准粒子展开。相比之下，以电子为载体时在信息传递中会产生焦耳热；而以磁振子作为信息载体，在传递过程中耗散的能量很少。

另一方面，在室温条件下磁振子能展现出量子世界的特性、自旋波波色爱因斯坦凝聚、以及自旋波超流态。

因此，魏向阳等人发现超薄钇铁石榴石体系具有更加优良的性能，在超薄的钇铁石榴石体系中，自旋波输运能力更强，也更容易实现对于量子特性的调控。

“这项工作的结论是反直觉的。我和同事发现钇铁石榴石薄膜的厚度越薄，自旋导以及自旋导率增加得越多。”其表示。

图 | 魏向阳（来源：魏向阳）

以大家熟悉的电导和电导率为例，欧姆定律描述了一个电导体的电导与导体尺寸的关系。当一个导体的厚度越薄，它的电导会变小。而电导率作为材料本身的性质，不会随尺寸而变化。（欧姆定律所描述的宏观规律，并不适用于二维电子气等具有量子特性的材料。）

对于钇铁石榴石这样的铁磁绝缘体来说，当以磁振子作为载流子，就能在绝缘体中进行信号传输。这本身并不依赖自由电子的移动，而自由电子在导体中的定向移动会产生焦耳热，进而导致能量的损失。

魏向阳指出，磁振子在钇铁石榴石中的运动，其能量的耗散会低很多。此次研究发现，在钇铁石榴石的厚度不断变薄的过程中，参与磁振子输运的子带，从几万降低到了只有几个，而自旋导率则提高了将近三个数量级。

这说明在钇铁石榴石厚度变薄的过程中，磁振子的输运可能发生了从三维到二维的转变。而这可能是因为磁振子在二维体系中拥有更优良的性质，比如散射时间变长等。

该研究目前只是报道了这样一种现象，背后可能仍有很复杂的物理规则。而实验中所使用的电学测试手段具有一定局限性，比如无法具体分析不同动量的自旋波，对于自旋导率的贡献等。因此，要想完整、准确地解释上述现象，还得从实验和理论两方面做进一步的研究。

而针对上述部分的研究，魏向阳等已将其整理为论文。近日，相关论文以《超薄钇铁石榴石薄膜中的巨磁振子自旋导率》（）为题发表在 Nature Materials 上，魏向阳担任一作兼通讯。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

从三维到二维的输运机制变化，导致自旋导率增大

2019 年冬，魏向阳等开始着手这一研究。当时他和同事对于超薄钇铁石榴石体系的性质，了解得不甚清楚。但是，在另一项关于超薄钇铁石榴石自旋波晶体管的工作中，该团队发现超薄钇铁石榴石体系可能拥有一些很有意思的性质。

因此，课题组决定对钇铁石榴石的磁振子输运性质与厚度之间的关系，进行系统性研究。

魏向阳表示：“法国合作者 Jamal Ben Youssef 博士负责钇铁石榴石超薄薄膜的生长，而我们在荷兰格罗宁根进行器件制备和测试。”

通过测量不同厚度的钇铁石榴石的自旋波输运信号，该团队初步发现在更薄的薄膜中，反而可以观察到更大的自旋波输运信号。

（来源：Nature Materials）

观察到这个现象之后，研究人员一边思考原因，一边建立模型把自旋导率从实验数据中提取出来。

最开始，魏向阳等觉得原因可能是：薄膜的表面和体相，对于自旋波输运的贡献不同导致的。相对于体相来说，表面的自旋导率可能性更高。而在薄膜变薄的过程中，来自表面的贡献比例变得更大，更占主导地位。

“很快我们就发现这个假设是错误的，因为从厚薄膜到超薄的薄膜，信号增大了很多倍，如果有这样一个主导层的存在，那么它应该始终占主导，信号不会随厚度变化，就像是两个相差很多倍的电阻并联，整体电阻由电阻较小的部分决定，”其表示。

后来，课题组通过计算发现，在钇铁石榴石厚度降低过程中，自旋波子带数目急剧减少。而强磁场和低温的测试数据也说明，在超薄钇铁石榴石中，输运是由能量低的自旋波主导的。

因此，他们认为在薄膜厚度变薄的过程中：自旋导率的增大，可能与自旋波从三维到二维的输运机制变化有关。

（来源：Nature Materials）

正在利用超薄钇铁石榴石的高自旋导率进行进一步研究

魏向阳补充称，这次工作是大家在以往工作基础上的延伸和深入。课题组利用很多现有方法，来探索钇铁石榴石薄膜的自旋导率。

其中很多概念和模型，已在课题组之前的钇铁石榴石薄膜工作中有所介绍。因此，本次关于超薄钇铁石榴石体系的研究，才能更深入、更系统地对钇铁石榴石的自旋导率进行探索。

自旋波在铁磁绝缘体中的输运，是近年来一个蓬勃发展的领域。“我之前的同事 Ludo Cornelissen 博士、单娟博士、刘静博士，做了很多奠基性工作。比如，铁磁绝缘体中自旋波的电学激发与探测[1，2]、提出研究化学势驱动的自旋波输运的方法[3]、电流控制的自旋波晶体管[4]等，”魏向阳表示。

而目前他正利用超薄钇铁石榴石优良的自旋导率，进行电激发和探测自旋波波色爱因斯坦凝聚等方面的研究。

尽管此次担任通讯作者，但魏向阳还是一名博士生，师从荷兰格罗宁根大学纳米器件物理课题组的 教授。魏向阳本科毕业于中国科学技术大学材料化学专业，毕业后来到格罗宁根大学读硕和读博。博士毕业后，他将去新加坡做一期博后研究，结束后希望能有机会回到国内继续做科研。

参考资料：

1.Cornelissen, L. J., et al. "Long-distance transport of magnon spin information in a magnetic insulator at room temperature." Nature Physics 11.12 (2015): 1022-1026.

2.Shan, J, et al. "Criteria for accurate determination of the magnon relaxation length from the nonlocal spin Seebeck effect." Physical Review B 96.18 (2017): 184427.

3.Cornelissen, L. J., et al. "Magnon spin transport driven by the magnon chemical potential in a magnetic insulator." Physical Review B 94.1 (2016): 014412.

4.Cornelissen, L. J., et al. "Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a three-terminal magnon transistor." Physical review letters 120.9 (2018): 097702.