【摘 要】
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自旋是电子的内禀物理属性,也是实现信息存储和数据处理最为重要的物理基元。传统上,利用自旋磁矩的翻转和进动来实现的数据存储和信息交换,由于调控手段的非局域化特点和高能耗缺陷,已经远远不能满足未来对信息功能器件超快、低能耗和高密度集成的需求。自旋波,作为磁有序的低能集体激发态,由于其GHz以上频段的高频性质、微纳米尺度的波长、和无焦尔发热的传播特性,成为了自旋信息存储、运算和传递的理想载体。作为磁有序
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自旋是电子的内禀物理属性,也是实现信息存储和数据处理最为重要的物理基元。传统上,利用自旋磁矩的翻转和进动来实现的数据存储和信息交换,由于调控手段的非局域化特点和高能耗缺陷,已经远远不能满足未来对信息功能器件超快、低能耗和高密度集成的需求。自旋波,作为磁有序的低能集体激发态,由于其GHz以上频段的高频性质、微纳米尺度的波长、和无焦尔发热的传播特性,成为了自旋信息存储、运算和传递的理想载体。作为磁有序系统的无能隙集体激发态,自旋波对应于磁性系统中携带一个量子自旋角动量(h)的玻色性元激发准粒子—磁振子(magnon)。然而,对于磁振子的调控和携带信息的读写,由于其微小的量子化自旋角动量和传播过程的指数阻尼衰减,效率和精确性成为了自旋波电子学未来应用面临的内禀困难。在本文中,我们通过Aharanov-Casher效应对交换自旋波引入轨道角动量(OAM)作为新的物理自由度来克服传统自旋波电子学的潜在隐患。一方面,自旋波可以携带任意大小的轨道角动量,形成拓扑非平庸的涡旋自旋波(twisted magnon)激发态;另一方面轨道角动量跟涡旋自旋波的拓扑核是紧密联系在一起的,而拓扑核是内禀的物理性质且不随系统Gilbert阻尼效应而衰减。涡旋自旋波的这些物理特性克服了传统自旋波的传播长度指数衰减和携带自旋角动量微小这两大内禀应用缺陷,具有重要的理论价值和可期的应用前景。在三维铁磁纳米波导管中,涡旋自旋波会以拓扑涡旋束流的方式传播,基于Aharanov-Casher效应,可以对涡旋自旋波轨道霍尔效应、旋磁效应以及传播性质进行电场调控,通过不同的干涉图样实现信息的有效传递。涡旋自旋波还可以存在于具有ψθ(2)旋转对称性的二维铁磁纳米圆盘中。它的空间构型和动力学演化模式所具有的拓扑性质可藉由自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应实现电学读取。进一步的,我们还给出了涡旋自旋波在不同铁磁纳米圆盘之间进行传递的特性。这些发现将为我们设计新的、基于拓扑自旋波的、高鲁棒性的和抗衰减的磁振子器件提供理论支持。
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