华中大于涛教授课题组发PRL，在超导磁子学研究领域取得重要进展

日前，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线刊发了华中科技大学物理学院于涛教授「量子磁性与自旋物理」课题组题为「Efficient gating of magnons by proximity superconductors」的研究论文。我校为论文第一单位。于涛为文章的第一及通讯作者，日本东北大学及中科院大学的Gerrit E. W. Bauer教授为文章的共同通讯作者。

磁性与超导是凝聚态物质中的两个重要量子物态，但两者往往呈现互斥效应，具体表现为常规s-波超导的完全抗磁性以及磁塞曼效应对该超导态的破坏。即便如此，超导-铁磁界面处二者的耦合、杂化却导致重要的物理效应，即磁性金属与超导界面的近邻效应能够诱导三态超导关联，其在自旋电子学、拓扑量子物态、拓扑量子计算等前沿领域具有广阔的应用前景。该效应已经在超导态随磁性层厚度变化时所表现出的0-p转变得到观测[如Phys. Rev. Lett.96, 197003 (2006)]。三态库伯对的一个重要应用是实现电子的无耗散「超自旋流」。受此驱动，相关大量理论和实验研究催生了「超导自旋电子学」这一研究前沿。然而，磁性金属和超导异质结构中，经常存在的金属中难以控制的无序和界面质量给相关物理研究带来难以避免的困难，并且除了间接对铁磁共振中的吉尔伯特耗散系数的测量之外[如Nat. Phys.11, 307 (2015)]，无耗散的超自旋流实际上从未被实验直接观测到。

在自旋输运物理研究中，除电子之外，铁磁绝缘体中的元激发，即自旋波或者磁子也可以携带并传输自旋信息。由于磁性绝缘体和环境耦合较弱，磁子往往可以远距离、低耗散、高效率地传输自旋信息，相关研究领域被称为「磁子学」或者「自旋波物理」。

磁子与其它磁子、声子、微波、光场以及电子相互作用的研究已经取得深入进展，但是其与库伯对的耦合却很少被研究过。由此可提出了几个重要问题：首先，磁子与库伯对如何耦合，磁子与单态及三态库伯对是否有不同的耦合形式；其次，能否借助超导-铁磁界面的三态超导电性抑制磁子耗散乃至实现无耗散的磁子输运；第三，研究磁子和库伯对的耦合是否有可能的应用前景等。基于对这些物理问题的强烈好奇，于涛教授与Bauer教授进行合作，从理论上研究了磁子与库伯对通过偶极相互作用的耦合，即磁子能够产生偶极场来驱动近邻超导层中的超流，该超流产生的奥斯特磁场又驱动磁性层中磁矩的运动。他们发现这种耦合是手性的，并且强度很大，如在下面(a)图中所绘出的面内磁化的铁磁绝缘体与常规超导薄膜的双层结构中磁子的频率会恰好在半个动量空间中极大地被移动，频移可多达几十GHz。

该手性频率移动是磁子的偶极场的手性和超流的奥斯特磁场的手性叠加的结果。令人惊奇的是，当在磁性层上放置一个较宽的超导线，如(b)图所示，作者发现垂直于饱和磁矩方向、向右传播的磁子将无法穿过超导线而被全反射，而向左传播的磁子完全未受到影响,即效率为近100%的自旋二极管。同样基于这个原理，如(c)图所示，理论上也能够将平行于饱和磁矩方向传播的磁子完全束缚在两个超导线之间，即磁子形成离散能级，呈现磁子阱功能。

这些结果表明，传统超导可以像电极调控电子介观输运那样极为有效地调控磁子的自旋输运。该研究以及相关后续研究有望促进「超导磁子学」的建立及发展。

图(a),磁性绝缘体-超导薄膜双层结构以及由磁子-库伯对偶极相互作用诱导的磁子手性频率移动。图(b),单方向磁子全反射及自旋波二极管功能。图(c)，利用两个超导「电极」实现磁子阱。

该项工作是于涛与合作者在磁子、超导手性相关物理发表的第7篇Physical Review Letters。在这些系列研究中，于涛与合作者系统地发现近场的光子、声子、磁子等具有横向「自旋」， 这一自旋与动量是锁定的，或者说是手性的；在时间反演对称破缺时，这一横向自旋的运动变成单向的；这一横向自旋在不同载流子间，特别是与电子转化时近似守恒。他们将这些规律归结为较为抽象的一句话：「手征是一种广义的自旋轨道耦合」，这成为于涛教授获邀撰写的 Physics Reports 132页综述的核心思想。这些工作可能为磁性、超导以及相关电子学研究带来新的视角和维度。

论文链接:

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.117201

--华中科技大学