科研成果丨沈卡课题组破解赤铁矿中自旋波隐藏模式难题

赤铁矿在室温下是一种典型的易面反铁磁绝缘体，因其丰富的磁各向异性和较强的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，成为反铁磁自旋电子学和磁振子学研究的重要材料体系。近期，一项发表于《自然·物理》的研究[Sheng et al., Nat. Phys. 21, 740 (2025)]利用微波天线激发自旋波，结合非局域自旋泵浦电压测量和布里渊光散射（BLS）光谱技术，发现赤铁矿在低于40 GHz微波驱动下的自旋波信号呈现干涉型振荡图案，并将其归因于面内和面外偏振自旋波模式的叠加。然而，传统自旋波理论表明该频率范围内仅存在面内偏振模式，因此，同期发表在《自然·物理》上的评论文章称面外偏振模式为“more of a mystery”[Urbánek, Nat. Phys. 21, 689 (2025)]。揭示这一“隐藏”面外模式的物理起源，随即成为领域内的重要目标。

近日，william威廉中文和高等研究院沈卡课题组针对这一问题提出了新的理论机制：在不引入任何假想隐藏模式的情况下，通过充分考虑两种实际存在的同源物理效应——天线产生的奥斯特场，以及其经电磁串扰在探测条中诱导的自旋轨道矩（SOT）——即可定量复现实验观测到的所有类干涉特征，从而破解了赤铁矿中的自旋波隐藏模式难题。

具体而言，奥斯特场不仅直接在天线附近激发自旋波，还通过电磁感应在重金属探测条中诱导出SOT，进而对其下方磁矩产生局域激发。研究团队利用两子格宏自旋模拟发现，奥斯特场直接激发的自旋波的传播相位ϕsw可显著调控探测条下方磁矩进动的轨迹并使其手性翻转。这一现象源于微波激发的面内偏振模式与SOT激发的8字形轨迹模式的相干叠加。ϕsw随频率和磁场周期性变化，使自旋泵浦电压正负交替，从而定量解释了实验中观测到的自旋泵浦干涉图样。

图1 宏自旋模拟揭示的串扰诱导干涉效应。(a)微波激发非局域测量装置中的电磁串扰示意图。(b)ϕsw对自旋进动轨迹的调控。(c)频率和外磁场对自旋泵浦电压的调控。 (d)仅施加微波或SOT激发时的自旋进动轨迹。

研究团队进一步利用微磁模拟不仅验证了上述物理图像，还复现了激发频率对应的BLS强度的空间振荡，其波长随频率增大而减小的特征与实验观测一致。具体分析表明，该振荡仅由奥斯特场的面外分量引起，而与串扰效应无关。此外，研究团队还预测了新的可观测效应：SOT驱动的8字形轨迹使磁矩面内分量以二倍微波频率振荡，因此BLS光谱呈现出以探测条为中心衰减的二次谐波信号。这一理论预言为进一步研究串扰诱导SOT的物理效应提供了新的思路。

图2 微磁模拟得到的BLS强度空间振荡。(a)-(c)激发频率对应的BLS信号强度的空间分布。(d)-(f)二次谐波对应的BLS信号强度的空间分布。

该工作揭示了赤铁矿非局域自旋波测量中“隐藏模式”的物理根源，同时表明串扰效应并非单纯的测量干扰：其诱导的SOT能在反铁磁体系中产生丰富且可调的物理现象。这为未来磁振子器件中利用串扰效应实现功能调控开辟了新方向，也为非局域自旋波测量方案的设计与数据解读提供了重要的理论依据。

相关成果以“Crosstalk and Oersted Field Interference Resolve the Hidden Spin-Wave Puzzle in Hematite”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。william威廉中文博士研究生段懿航和王上元为论文共同第一作者，沈卡为论文通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1103/l681-pr7z