自旋电子学研究的长期目标是开发基于自旋的、低耗散的计算技术设备。新兴的反铁磁磁振子领域旨在寻求利用绝缘反铁磁体通过磁振子传输角动量进行信息处理。反铁磁性有序材料具有零净磁矩的特点，是应用于自旋电子学器件的理想材料。然而，此前反铁磁体中自旋输运现象的直接观测只限于几个纳米的范围，严重制约了相关材料的发展。2018年，德国美因茨大学的研究人员在反铁磁绝缘体赤铁矿（α-Fe2O3）单晶中利用外磁场调节反铁磁共振频率，控制通过赤铁矿-铂界面的自旋流流动，从而研究了反铁磁绝缘体中自旋输运的机制及其长程自旋输运（Long-range spin transport）现象。尽管在α-Fe2O3中已经显示出长程的磁振子传输，但在任何其他易轴或易面各向异性的反铁磁体中，还没有显示出超过几纳米衰减长度的磁振子传输。
近期，学院曹世勋教授团队与德国美因茨大学、德国美因茨卓越材料科学研究生院、法国巴黎萨克雷大学、法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家强磁场实验室、挪威科技大学量子自旋电子学中心等物理学和材料学家组成的国际研究团队，在倾角反铁磁正铁氧体YFeO3单晶中利用自旋霍尔效应展示了长程自旋输运行为。研究人员将电流通过YFeO3单晶上的铂丝，引发自旋霍尔效应产生横向自旋流（spin current），驱动自旋在YFeO3-铂界面累积，这一累积过程能够进一步产生带有净角动量的自旋流。自旋流及其自旋电压最终共同构成了非局域电压（non-local voltage），可通过逆自旋霍尔效应进行检测。基于以上方案，研究人员通过实验测量和计算发现超低阻尼稀土正铁氧体YFeO3中传输自旋信息的距离可达到数百纳米。2022年10月17日，相关研究成果以Anisotropic long-range spin transport in canted antiferromagnetic orthoferrite YFeO3” 为题在线发表在《Nature Communications》上。
该论文工作围绕上海大学团队的高质量稀土铁氧化物YFeO3单晶样品展开，曹世勋教授为共同通信作者，2020级博士研究生马小璇，2019级硕士研究生陈海洋为共同合作者，上海大学物理系、材料基因组工程研究院和上海大学量子与分子结构国际中心为共同通信单位。上海大学团队进行了高质量YFeO3单晶样品的制备和精确定向切割，并提供高质量YFeO3单晶样品用于非局域输运测量分析以及磁性测量，作为该项国际合作研究课题的核心材料，其晶体结构如图1（a）所示。
图1. 晶体结构、磁共振及器件。(a) YFeO3[010]的晶体结构。(b) 在两种不同的温度下，共振频率作为沿a轴（空心符号）和c轴（实心符号）磁场的函数，蓝色为20 K，红色为150 K。(c) 在20 K和150 K时，磁场沿c轴线宽与频率的函数关系。(d) 典型器件的扫描电镜图像，其中电流沿着中间导线驱动，并在其左右的两根导线中测量非局域电压。
图2. 200 K温度下YFeO3中的自旋输运。(a) 当磁场沿着单晶易轴（a轴）与铂丝方向平行时，非局域电阻与磁场强度的关系。(b) 当磁场沿着单晶易轴（a轴）与铂丝方向垂直时，非局域电阻与磁场强度的关系。
图3. 200 K时自旋输运信号的距离依赖性。
研究发现，平行易轴与垂直于易轴的自旋输运信号响应表明可以通过施加磁场调整奈尔矢量的方向来寻找非局域电阻的最大值，自旋信息的输运仅由奈尔矢量介导（图2）。YFeO3中磁振子衰变长度的测量证实了在超低阻尼正铁氧体YFeO3中数百纳米的磁振子传输，其传输机制是由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和外加磁场共同促成的。磁振子衰减长度超过数百纳米，与共振测量相一致。经过详细理论分析，确定磁振子群速度的各向异性是观察到各向异性磁振子衰减长度（λ）的主要机制（图3）。在YFeO3中发现的这种独特的传输模式为一大类与技术相关的材料，比如倾角反铁磁正铁氧体，提供了长程自旋传输的可能。此外，通过长程非局域输运测量和反铁磁共振测量所观察到的输运模式突出了低阻尼反铁磁绝缘体在集成到下一代磁电子和自旋电子器件中的应用潜力，是朝着建立反铁磁绝缘体中长程自旋输运通用模型最终目标迈出的重要一步。
此次在Nature Communications上发表合作研究成果，是上大曹世勋教授团队继2018年在Science上发表论文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”、2021年5月、2022年1月相继在《Nature Communications》上发表两篇高质量论文“Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions”与“Emerging spin–phonon coupling through cross-talk of two magnetic sublattices” 之后再次登上国际著名期刊。
该工作得到上海市科学技术委员会“科技创新行动计划”项目（No.21JC1402600）和国家自然科学基金面上项目（No. 1207424）的支持。
相关论文链接：
2022年10月，Nature Communications, 13, 6140 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33520-5
2022年01月，Nature Communications, 13, 443 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27267-8
2021年05月，Nature Communications, 12, 3115 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23159-z
2018年08月，Science 361 (6404), 794-797. http://science.sciencemag.org/content/361/6404/794
