物理学家布洛赫早在1930年提出了自旋波及其量子化基元-磁激子的概念:即磁有序系统的局域扰动可在整个磁有序晶格中以波的形式传播开来,随后在1957年被物理学家伯特伦·布罗克豪斯采用非弹性中子散射实验所证实。这种存在于磁有序系统中的自旋波,像光波一样也具有波粒二象性,可以用来定向且长距离地传播自旋信息。
然而,在过去长达近90年的时间里,能够发挥其功能特性和有应用价值的微纳米尺度磁子型器件却一直未能开发出来,长期成为国际前沿待解的难题。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室的韩秀峰研究员课题组,2016年率先在Pt/Y3Fe5O12/Pt这种重金属和磁性绝缘体构成的垂直磁子异质结中,观察到了磁子为中介的电流拖拽效应。
该实验充分证明了磁子作为自旋信息载体的可行性以及磁性绝缘体传导磁子流的有效性。该垂直磁子异质结也成为全电学调控的一种磁子发生器。随后,韩秀峰课题组构建了由磁性绝缘体和非磁性金属构成的FMI/NM/FMI磁子阀,利用自旋塞贝克效应,通过调控磁子阀上下两层磁性绝缘体的磁矩方向分别处于平行和反平行状态,可以对外输出大小不同的磁子流,构成一个有效调控磁子流的阀门开关。
为了实现低功耗磁子器件的信息传输与读取,韩秀峰课题组进一步采用磁电阻方法取代热电输运方式来读取磁子结的磁结构变化,即在磁子结YIG/NiO/YIG/Pt顶层Pt层中施加一个小的电流,观测发现Pt中电阻不仅取决于与Pt直接接触的顶部磁性绝缘体YIG层的磁矩方向,而且还取决于磁子结另一侧底部磁性绝缘体YIG层的磁矩方向。
上述磁子异质结、磁子阀、磁子结及其磁子非局域自旋霍尔磁电阻效应的发现,为今后系统构建消除焦耳热的磁子型器件和磁子型电路探索了一条全新的技术途径。