超材料耦合自旋电子学器件特性研究

The new cutting-edge research direction, opto-spintronics, arises from the fast development in both photonics and spintronics and holds a promising application potential in future quantum information era. A bottleneck problem of optospintronics, however, is the intrinsic small interaction strength between electromagnetic waves and electron spins. Metamaterials provide extraordinary manipulation capability of near-field electromagnetic wave and can highly localize photon energy so that the interaction between electromagnetic wave and spin is enhanced significantly. In this project, we study the performance of spintronic devices which are coupled by specially designed metamaterials. We focus on the physical effects of the microwave metamaterials on the spin-related ferromagnetic resonance, spin-wave, rectification, spin-pumping and so on. The artificial magnetism from the metamaterial and the natural magnetism from ferromagnetic materials are investigated and compared systematically and their interactions are to be analyzed. The necessary condition and method to realize magnon-polarition are explored and special attention will be paid to the potential applications of the hybrid system in integrated optospintronics and magnetically/electrically tunable optoelectronics.

光学与自旋电子学交叉形成了一门新兴的前沿学科，即光-自旋电子学(Opto-spintronics)。它在未来量子信息技术领域具有重要的应用价值，但制约其发展的一个根本性因素在于电磁波-自旋之间很小的相互作用强度。超材料具有优异的近场电磁波调控能力，其高度的能量局域化特性为提高电磁波-自旋相互作用提供了全新的革命性手段。本项目探索性地开展超材料耦合自旋电子学器件的性能研究，集中研究微波超材料对自旋共振、自旋波、自旋整流、自旋泵浦等自旋动力学性质的耦合作用，理解人工磁性与天然磁性的特性及其相互之间的作用机制，建立适合自旋电子学器件应用的超材料设计指导理论，探索磁子—极化激元的形成条件和途径，并进一步开拓超材料-磁性材料复合体系在集成光-自旋电子学器件和磁电连续可调器件方面的应用。

光学与自旋电子学交叉形成了一门新兴的前沿学科，它在未来量子信息技术领域具有重要的应用价值，但制约其发展的一个根本性因素在于电磁波-自旋之间很小的相互作用强度。超材料具有优异的近场电磁波调控能力，其高度的能量局域化特性为提高电磁波-自旋相互作用提供了全新的革命性手段。本项目如期完成了计划书中所列的具体内容，包括建立起了超材料与磁性材料相互作用的一般性理论，理论和实验都证明超材料谐振腔的引入，有利于调控磁子-极化激元的耦合强度。基于超材料进场增强作用和理想吸收材料的概念，设计出了高电磁波-自旋共振能量转换效率的自旋整流、自旋泵浦的输运器件，以及理想吸收器，这使得复合材料能以最优效率吸收微波能量，并以最优转化率转变为直流电压，为通过微波实现无线电源技术提供可能的有核心竞争力的技术。此外，连续可调的超材料-磁性材料复合器件被开发，这为自旋电子学器件实现多功能可调提供了新的方案。