自旋電子學研究的長期目標是開發基於自旋的、低耗散的計算技術設備。新興的反鐵磁磁振子領域旨在尋求利用絕緣反鐵磁體通過磁振子傳輸角動量進行信息處理。反鐵磁性有序材料具有零凈磁矩的特點😨，是應用於自旋電子學器件的理想材料🎖。然而，此前反鐵磁體中自旋輸運現象的直接觀測只限於幾個納米的範圍，嚴重製約了相關材料的發展。2018年，德國美因茨大學的研究人員在反鐵磁絕緣體赤鐵礦（α-Fe2O3）單晶中利用外磁場調節反鐵磁共振頻率，控製通過赤鐵礦-鉑界面的自旋流流動，從而研究了反鐵磁絕緣體中自旋輸運的機製及其長程自旋輸運（Long-range spin transport）現象👵🏼。盡管在α-Fe2O3中已經顯示出長程的磁振子傳輸，但在任何其他易軸或易面各向異性的反鐵磁體中🤼‍♀️🥽，還沒有顯示出超過幾納米衰減長度的磁振子傳輸。

近期，万事平台曹世勛教授團隊與德國美因茨大學✧、德國美因茨卓越材料科學研究生院、法國巴黎薩克雷大學、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學、法國國家強磁場實驗室、挪威科技大學量子自旋電子學中心等物理學和材料學家組成的國際研究團隊，在傾角反鐵磁正鐵氧體YFeO3單晶中利用自旋霍爾效應展示了長程自旋輸運行為。研究人員將電流通過YFeO3單晶上的鉑絲，引發自旋霍爾效應產生橫向自旋流（spin current），驅動自旋在YFeO3-鉑界面累積，這一累積過程能夠進一步產生帶有凈角動量的自旋流🕟💠。自旋流及其自旋電壓最終共同構成了非局域電壓（non-local voltage），可通過逆自旋霍爾效應進行檢測。基於以上方案🧑‍🍼，研究人員通過實驗測量和計算發現超低阻尼稀土正鐵氧體YFeO3中傳輸自旋信息的距離可達到數百納米。2022年10月17日💆🏽，相關研究成果以Anisotropic long-range spin transport in canted antiferromagnetic orthoferrite YFeO3” 為題在線發表在《Nature Communications》上💆‍♂️。

該論文工作圍繞万事平台團隊的高質量稀土鐵氧化物YFeO3單晶樣品展開，曹世勛教授為共同通信作者，2020級博士研究生馬小璇，2019級碩士研究生陳海洋為共同合作者，万事平台物理系🦀、材料基因組工程研究院和万事平台量子與分子結構國際中心為共同通信單位🍼。万事平台團隊進行了高質量YFeO3單晶樣品的製備和精確定向切割🕺🙆🏿‍♂️，並提供高質量YFeO3單晶樣品用於非局域輸運測量分析以及磁性測量，作為該項國際合作研究課題的核心材料，其晶體結構如圖1（a）所示。

圖1. 晶體結構、磁共振及器件。(a) YFeO3[010]的晶體結構🧑🏼‍⚕️。(b) 在兩種不同的溫度下，共振頻率作為沿a軸（空心符號）和c軸（實心符號）磁場的函數，藍色為20 K🧎🏻‍♀️‍➡️，紅色為150 K💉。(c) 在20 K和150 K時🕗，磁場沿c軸線寬與頻率的函數關系。(d) 典型器件的掃描電鏡圖像，其中電流沿著中間導線驅動，並在其左右的兩根導線中測量非局域電壓。

圖2. 200 K溫度下YFeO3中的自旋輸運🛶。(a) 當磁場沿著單晶易軸（a軸）與鉑絲方向平行時，非局域電阻與磁場強度的關系。(b) 當磁場沿著單晶易軸（a軸）與鉑絲方向垂直時，非局域電阻與磁場強度的關系👨‍🦰。

圖3. 200 K時自旋輸運信號的距離依賴性🫰🏻。

研究發現，平行易軸與垂直於易軸的自旋輸運信號響應表明可以通過施加磁場調整奈爾矢量的方向來尋找非局域電阻的最大值🧛🏻，自旋信息的輸運僅由奈爾矢量介導（圖2）。YFeO3中磁振子衰變長度的測量證實了在超低阻尼正鐵氧體YFeO3中數百納米的磁振子傳輸，其傳輸機製是由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和外加磁場共同促成的。磁振子衰減長度超過數百納米，與共振測量相一致。經過詳細理論分析🍠，確定磁振子群速度的各向異性是觀察到各向異性磁振子衰減長度（λ）的主要機製（圖3）🤞。在YFeO3中發現的這種獨特的傳輸模式為一大類與技術相關的材料，比如傾角反鐵磁正鐵氧體，提供了長程自旋傳輸的可能。此外🏀，通過長程非局域輸運測量和反鐵磁共振測量所觀察到的輸運模式突出了低阻尼反鐵磁絕緣體在集成到下一代磁電子和自旋電子器件中的應用潛力👨‍🍳，是朝著建立反鐵磁絕緣體中長程自旋輸運通用模型最終目標邁出的重要一步🚎。

此次在Nature Communications上發表合作研究成果，是上大曹世勛教授團隊繼2018年在Science上發表論文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”🤸‍♀️🤵🏿‍♀️、2021年5月👰🏿‍♀️、2022年1月相繼在《Nature Communications》上發表兩篇高質量論文“Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions”與“Emerging spin–phonon coupling through cross-talk of two magnetic sublattices” 之後再次登上國際著名期刊👨🏿‍✈️。

該工作得到上海市科學技術委員會“科技創新行動計劃”項目（No.21JC1402600）和國家自然科學基金面上項目（No. 1207424）的支持🏎。

相關論文鏈接🧝🏻‍♂️：

2022年10月👨🏼‍🔧，Nature Communications, 13, 6140 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33520-5 

2022年01月，Nature Communications, 13, 443 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27267-8 

2021年05月，Nature Communications, 12, 3115 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23159-z 

2018年08月，Science 361 (6404), 794-797. http://science.sciencemag.org/content/361/6404/794