反铁磁材料中自旋波的偏振自由度操控的理论研究

Spin wave is the collective precession of the ordered magnetization in magnetic materials. Polarization, denoting the precession direction of the magnetization, is a new degree of freedom of spin wave. Polarization degree of freedom characterizes the intrinsic wave nature of spin wave, and provides a new manipulation route besides the frequency, amplitude, phase for spin wave. In ferromagnetic materials, because all static magnetizations point to one direction, spin wave only possesses the right-handed circular polarization; while in antiferromagnetic materials, due to the two opposite magnetic sub-lattices, spin wave can have left-handed and right-handed circular polarizations, as well as all linear and elliptical polarizations, therefore the full polarization degree of freedom. Antiferromagnetic material is natural platform for spin wave polarization manipulation. This project explores the possibilities of spin wave polarization manipulation in various antiferromagnetic systems, including magnetic textures such as magnetic domain wall and magnetic skyrmion, as well as synthetic antiferromagnet, two dimensional magnetic materials and antiferromagnetic materials with nontrivial lattice configurations. Manipulating polarization degree of freedom offers more accurate and versatile ways in harnessing spin wave, and also provides new paradigm for pure magnetic information processing and wave computing.

自旋波描述的是磁性材料中有序磁矩的集体进动。偏振描述的是自旋波中磁矩的进动方向，是自旋波的一种的全新的自由度。偏振自由度体现了自旋波本征的波属性，为自旋波提供了除了频率，幅度，相位之外全新的操控途径。在铁磁材料中，由于所有静态磁矩均指向同一方向，自旋波只有右旋偏振态；而在反铁磁中，由于两种指向相反的磁性格子的存在，自旋波可以具有左右圆偏振态及所有的线偏振态和椭圆偏振态，因此具有完整的偏振自由度。反铁磁材料是对自旋波进行偏振操控的天然平台。本项目探索在多个反铁磁体系中，如磁畴壁、磁性斯格明子等磁性结构中，以及人工反铁磁、二维磁性材料、具有非平庸磁性格子的反铁磁材料中，对自旋波的偏振自由度进行操控的可能性。对偏振自由度的操控使得我们可以用更精确和更丰富的手段控制自旋波，并为纯磁学信息处理和波计算提供新的范式。

自旋波是磁性系统中的一种基本激发，描述的是有序磁矩的集体进动。由于自旋波的传播不涉及底层电子的物理移动，因此自旋波具有不产生焦耳热、能在磁性绝缘体中传播等多种有点。作为自旋波的一种全新自由度，偏振为操控自旋波和构造新型磁子器件提供了丰富的可能性。本项目系统地研究了偏振态自旋波在磁性系统中的传播特性和散射行为，建立了关于偏振态自旋波的简化理论模型，提出了基于自旋波偏振态的纯磁学信息处理方案。本项目的重要结果包括：1）提出90度反铁磁畴壁可工作为可编程自旋波波片；2）发现可通过外在弯曲对引入偏振依赖的相位，并基于弯曲磁性曲线构造出自旋波旋转仪和干涉仪；3）提出几何磁子学的概念，并发现自旋波在手性反铁磁畴壁处的双折射现象以及偏振依赖的全反射现象；4）建立了描述自旋波和磁性纹理交互行为的粒子碰撞模型，系统推导了自旋波的自旋转矩; 5) 提出了一种基于自旋波偏振态的通用逻辑门。通过本项目的研究，我们明确了偏振态在自旋波操控中的独特地位，为构造新型自旋波器件提供了新的理论工具和实现途径。