高频磁性材料在微波下的磁子-光子耦合机制研究

In recent years, due to the rapid development of nanomagnetism and spintronics, the development of the non-reciprocal microwave magnetic devices based on magnons can be achievable with the non-reciprocal properties of spin waves (magnons). The magnon-photon coupling in microwave band is a feasible way to link the spin information with microwave signal processing. So, how to improve the coupling efficiency by studying its coupling mechanism has become an urgent problem. This project aims to build up the mechanism and physical model of the magnon-photon coupling in high frequency magnetic materials, after combine with the magnetic field and frequency dependence magnon energy spectra measured by the Brillouin light scattering, the microwave measurement, and the micromagnetic simulation. By study the magnetic field and frequency dependence magnon energy spectra, the method to tune the magnon energy by interlayer exchange interaction can be given, the mechanism of the nonreciprocal properties in magnons from the asymmetry of the interface can be analyzed, and the mechanism of magnon-microwave photon coupling between magnons and photons is built up. These studies may provide a theoretical guidance and technical support for spin wave based nonreciprocal microwave devices.

近年来，随着纳米磁学和自旋电子学等相关领域的快速发展，基于自旋波（磁子）的非互易微波磁性器件制备成为可能。自旋信息和微波信号处理可以通过微波频段下的磁子-光子耦合效应相互关联起来，因此，如何通过研究磁子-光子耦合机制提出提高其耦合效率的方案成为了亟待解决的问题。本项目拟基于布里渊光散射测试高频磁性材料在发生磁子-光子耦合时在磁场和波矢空间下的磁子色散谱，结合微波测试结果利用微磁学模拟技术来建立高频磁性材料在微波下的磁子-光子耦合机制和物理模型，并给出提高耦合效率的具体方案。具体通过磁场和波矢空间下的磁子色散谱，给出利用层间交换作用调控金属多层膜中光学支磁子能量的方法；对金属多层膜中界面不对称引起的磁子非互易特性产生的机理进行分析；通过研究磁子与微波光子系统之间的相互作用，建立磁子与光子耦合的物理图像。该研究项目结果有望为进一步实现基于磁子的非互易微波器件提供理论指导和技术支撑。

自旋波(磁子、磁振子)作为自旋角动量传递的基本表现形式反映了自旋的众多本征物理特性而引起自旋电子学广泛关注。在特定条件下电磁波（微波光子）与高频磁性材料的磁振子会发生类似腔量子电动力学的强耦合。研究这类强耦合有望使我们更深入理解电磁波和自旋波的相互作用机理，以及对基于自旋波的高频磁性器件进一步拓展到应用领域提供理论和实验指导。. 我们采用开口谐振环研究了自旋驻波和微波光子系统之间的磁振子光子耦合，并通过调控开口环的微波磁矢量分布实现了耦合强度的调控。在光子晶体系统里，通过铁氧体缺陷实现了腔光子和磁振子的超强耦合。磁振子由其运动方程决定具有天然的手征性。例如可以利用层间相互作用和边界调制实现表面自旋波的色散非互易行为，并基于此可得到自旋波的负群速度现象。在单层磁性薄膜中可实现静磁表面波和垂直交换驻波磁振子之间的耦合现象，并得到在相反波矢下耦合的非互易现象。在腔磁振子系统中可实现腔光子和磁振子的非互易耦合现象，且铁磁共振磁振子和自旋波磁振子间可通过腔光子实现间接耦合。进一步可根据腔磁振子系统中的非互易耦合现象设计类似微波环形器的光子-磁振子非互易耦合器件。. 在Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等杂志发表SCI论文13篇，培养博士毕业生1名，硕士毕业生5名。项目执行过程中负责人入选“国家高层次人才特殊支持计划”青年拔尖人才。