近日，深圳国际量子研究院陈济雷副研究员课题组与合作者在手性磁子边缘态长距离传播的研究中取得了重要进展。研究团队通过原子级晶格应力设计，成功制备了高质量的磁性镧锶锰氧薄膜，这种薄膜展现了毫米级反铁磁耦合自旋螺旋结构及低磁阻尼特性，从而实现了手性磁子边缘态的长距离传播。相关成果以“Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states”为题，于2025年1月3日在国际学术期刊 Nature Materials 在线发表。

自旋波（量子化称为“磁子”）能够在没有电荷流动的情况下传输自旋信息，进而有效避免高密度集成电路中的焦耳热耗散，因此被认为是突破摩尔定律的下一代超低功耗计算和存储技术中的重要信息载体之一。此外，磁子作为一种准粒子，能够与其他准粒子，如光子、声子等耦合并进行信息交互，从而形成复杂的量子混合系统，对新型量子器件具有重要意义。

图1 原子级晶格应力设计的磁螺旋结构中激发的磁子模式

在这项研究中，课题组利用自旋体系中的动态偶极相互作用，揭示了手性磁子边缘态的形成机制及其与螺旋纹理中磁子的强耦合过程。研究人员观察到一种具有稳定手性的混合磁子状态，这一状态可通过外加磁场的不同阈值角度进行可逆切换。实验通过观察非互易性自旋波的传播，揭示了动态偶极相互作用在手性磁子边缘态的产生及混合过程中的关键作用。研究发现，手性边缘态的传播具有类似Damon-Eshbach模态的手性特性，并且高度局域化，可以沿纳米通道边缘传播超过百微米。

​图2 动态偶极相互作用下观察到非互易光学磁子模式

这一成果在手性磁子边缘态长距离传播领域取得了突破性进展，展示了该技术在未来量子信息处理和自旋电子学应用中的巨大潜力。研究团队计划进一步优化磁性薄膜的制备工艺以及实验系统的参数，以提高手性边缘态的传播距离和稳定性，并探索更高效的磁子控制与操纵方法。未来的研究将着眼于在更复杂的磁性结构中实现更广泛的手性磁子传播，为基于自旋波的量子计算和信息存储技术的发展提供新思路。

该工作的共同第一作者为北京师范大学张跃林助理教授（原深圳国际量子研究院访问学者），北京师范大学博士生邱雷，深圳国际量子研究院陈济雷副研究员以及天津工业大学吴世喆副教授。北京师范大学张金星教授、北京师范大学沈卡教授和北京航空航天大学于海明教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省科技厅、南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02065-x