2025年2月18日，《Nano Letters》在線刊登了我院博士生侯金成在壓控低功耗自旋波激發領域的最新研究成果“Excitation of Spin Waves by Oscillatory Voltage-Controlled Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in Ferroelectric/Skyrmion Heterostructure”。該研究基于鐵電/鐵磁異質結中的壓控Dzyaloshinskii–Moriya（DMI）相互作用，提出了一種以斯格明子為激發源的自旋波發生器，為實現低功耗、高頻率和高質量的自旋波邏輯與通信提供了新的解決方案。

自旋波是磁有序材料中磁矩的集體激發，具有高速、低能耗的信息傳輸和編碼能力，在自旋電子學、微波通信和量子計算等領域展現出巨大的潛力。自旋波邏輯包括三個關鍵器件：自旋波發生器、自旋波波導和自旋波探測器。自旋波發生器是其中的核心部件，負責産生自旋波。

目前最主流的自旋波發生器是共面波導，即通過電流在磁性薄膜中産生交變的奧斯特場來激發自旋波。然而，這種共面波導結構複雜，且作為自旋波源的尺寸過大，難以應用于小尺寸集成電路中。除了共面波導，還可以通過自旋納米振蕩器來激發自旋波。自旋納米振蕩器具有小尺寸的優點，但和共面波導一樣依賴于電流激發，因此功耗較大。此外，電流所産生的焦耳熱會引入噪聲，影響輸出自旋波信号的質量。

圖1 （a）自旋波發生器結構；（b）斯格明子；（c-e）斯格明子中DMI有效場和力矩的空間分布

為解決上述問題，研究團隊提出了一種基于鐵電/鐵磁異質結的壓控自旋波發生器。該發生器将鐵磁層中的斯格明子作為自旋波激發源，在器件上下兩端施加射頻電壓來調控DMI，從而激發自旋波。斯格明子是一種拓撲保護的磁性準粒子，其尺寸可以低至10 nm，并具有獨特的拓撲特性。團隊首先對斯格明子中的DMI有效場和力矩進行了分析，推導出它們的空間分布公式。理論分析表明，DMI力矩集中分布在斯格明子的半徑附近。因此，當DMI系數變化時，斯格明子邊界會作為激發源驅動疇結構移動，從而激發出自旋波。研究團隊使用6 GHz和10 GHz兩個頻率激勵斯格明子，分别得到了斯格明子的呼吸模式和自旋波模式。最後，通過微磁學模拟驗證了該結構中自旋波激發的理論預測，得到了高質量的自旋波波形和幅頻響應，激發頻率可達30 GHz以上。

圖2 斯格明子的呼吸模式（6 GHz）和自旋波模式（10 GHz）

該研究通過引入一種新的鐵電/鐵磁異質結，成功解決了當前自旋波激發中高能耗和集成困難的問題。這種新的自旋波發生器采用射頻電壓輸入，能夠避免焦耳熱的産生，從而具有低功耗和高穩定性。展望未來，研究成果有望對下一代高頻自旋電子器件的設計和優化中發揮關鍵作用。

圖3 自旋波激發的波形和幅頻響應

6774澳门永利為論文第一完成單位，6774澳门永利博士研究生侯金成為第一作者，深圳技術大學胡少傑副教授和我院遊龍教授為共同通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、武漢強磁場學科交叉基金、深圳市自然科學基金、深圳虛拟大學園、武漢市自然科學基金和中國博士後科學基金的資助。

論文鍊接：J. Hou, S. Hu, L. You. Excitation of Spin Waves by Oscillatory Voltage-Controlled Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in Ferroelectric/Skyrmion Heterostructure.