傳統微納電子器件以傳導電子為載流子，導緻器件存在難以克服的焦耳熱。由于磁介質中自旋波(磁振子為自旋波的能量量子)可在絕緣體中傳輸，不存在焦耳熱，因而磁介質中自旋波作為潛在的低功耗信息器件受到廣泛關注，但磁介質通常存在疇壁等磁矩空間取向不一緻的區域，這種空間非均勻磁結構對磁振子傳輸影響較複雜，也同時存在較多争議。基于以上研究焦點，我院張悅副教授在上述領域開展了計算研究，近期取得以下兩點成果：

1. 鐵磁複合結構中磁振子自旋流的自旋互換(Spin-Swapping)效應

自旋流是同時描述自旋取向和自旋流動的張量。除傳導電子外，由于交換耦合，磁振子傳輸也可形成自旋流。理論預測由于重金屬/磁性金屬界面的自旋軌道耦合，界面附近可發生自旋互換(Spin-Swapping)效應，即自旋取向和自旋流動方向互換，但一直缺少實驗證據。

2022年，東南大學林維維教授與Johns-Hopkins大學錢嘉陵教授課題組合作，實驗上發現了在傾斜反鐵磁絕緣體中存在磁振子自旋流的自旋互換。并且，這種現象隻出現在垂直磁化和面内磁化共存的傾斜反鐵磁中，在磁各向異性單一的共線磁介質中，沒有觀察到相關現象。

受其工作啟發，在電子科技大學嚴鵬教授的指導下，我院張悅副教授計算預測了在兩種磁各向異性共存(内部垂直各向異性，表面面内各向異性)的複合鐵磁體系中，由于界面的交換耦合，也可産生自旋互換效應。更重要的是，這種由于自旋互換效應産生的垂直自旋流可産生微伏級逆自旋霍爾電壓，與傳統自旋泵浦産生逆自旋霍爾電壓非常接近。表明如果磁場不是足夠大，磁性材料表面磁矩空間取向的不一緻性可能會對逆自旋霍爾電壓測試産生不可忽視的影響。

相關工作近期以快報形式發表于PRB，第一作者為張悅副教授的博士生崔淑婷，張悅副教授與嚴鵬教授為共同通信作者。以下為論文鍊接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.108.L180402

2. 體聲波激勵的磁子結效應

磁隧道結是自旋電子學的經典器件，由磁性金屬/非磁絕緣體/磁性金屬組成。當兩層磁性金屬磁矩取向反平行時，隧道結表現高阻态，而平行時為低阻态。基于磁隧道結的傳感器和存儲器已廣泛應用。

除傳導電子外，磁振子也可傳輸自旋。2018年，中科院物理所韓秀峰研究員提出了磁子結效應，他們在磁性絕緣體/非磁絕緣體/磁性絕緣體三層結構中觀察到當兩磁性層磁矩平行時，磁振子可穿透磁子結，而當兩磁性層磁矩反平行時，磁子結不能穿透。這種磁子結器件沒有焦耳熱。但磁子結效應機制尚不清楚。一般認為當兩磁性層磁矩平行時，反鐵磁層中一種手性的磁振子散射較弱；而兩磁性層磁矩反平行時，反鐵磁層兩種手性磁振子均受到強散射。然而，反鐵磁層内部磁結構較複雜，兩套子格子可能獨立，也可能相互嵌套。對于後者，兩種手性磁振子傳輸路徑相互疊加。

我院傅邱雲教授和張悅副教授合作，計算了體聲波驅動磁子結效應。發現當兩磁性層磁矩取向處于平行和反平行狀态時，反鐵磁層内部磁矩結構存在微小差别。當兩磁性層磁矩反平行時，反鐵磁層磁矩偏離穩定态的取向存在從正到負的轉變，中心處磁矩嚴格平行易軸；當兩磁性層磁矩平行時，反鐵磁層磁矩偏離穩定态的取向沒有符号變化。不論反鐵磁層兩子格子磁矩是否相互嵌套，都存在這種現象。由于激勵磁進動的前提是磁矩要偏離易軸，因此，當兩磁性層磁矩反平行，反鐵磁層中心處嚴格沿易軸的磁矩阻礙了磁進動和磁振子傳輸。當兩磁性層磁矩平行時，不存在這種阻礙。從而為磁子結效應提供了更合理的解釋。

相關工作近期發表于PRB，第一作者為傅邱雲教授的博士生淩寒冰，傅邱雲教授和張悅副教授為共同通信作者。以下為論文鍊接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.108.174404