近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室張石磊教授課題組在手性磁子學(xué)的研究中取得重要進(jìn)展。他們開(kāi)發(fā)出自旋矢量時(shí)空分辨技術(shù)，實(shí)時(shí)重構(gòu)出手性磁振子與鐵磁振子之間的鎖模時(shí)間同步效應(yīng)，為自旋的遠(yuǎn)程信息傳輸和表達(dá)提供了新路徑。該成果以“Mode Locking between Helimagnetism and Ferromagnetism”為題，發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然-物理》( Nature Physics )。

螺旋磁有序是一類(lèi)廣泛存在于磁性材料中的手征自旋構(gòu)型。與傳統(tǒng)的鐵磁、反鐵磁結(jié)構(gòu)不同，螺旋磁序的元激發(fā)-手性磁振子，在集體傳播模式上體現(xiàn)出特定的手性，可以被解讀為磁性版本的手性聲子。然而，如何觀(guān)測(cè)到這一獨(dú)特動(dòng)力學(xué)模式的時(shí)空演變，以及如何收集和傳遞其輻射出的能量和信息，是當(dāng)前尚未解決的難題。

課題組針對(duì)這些挑戰(zhàn)，在材料上構(gòu)筑了“螺磁發(fā)射層/傳播層/鐵磁接受層“的異質(zhì)結(jié)體系，開(kāi)發(fā)了自旋矢量場(chǎng)時(shí)空分辨術(shù)，清晰地重構(gòu)出螺磁層和鐵磁層在兩種手性本征模式下的完整自旋動(dòng)力學(xué)信息。結(jié)果表明，即便接受層和發(fā)射層在空間上相互獨(dú)立，鐵磁層中的自旋會(huì)自發(fā)“相位鎖定”到螺旋磁體的本征模式上，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于鎖模同步的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。如圖所示，螺旋磁體手性模式以“無(wú)線(xiàn)耦合”的方式驅(qū)動(dòng)了鐵磁層的自旋進(jìn)動(dòng)，從而使非手征的物態(tài)攜帶了外稟的手性屬性。

圖1 (a)螺旋磁體兩種激發(fā)模式對(duì)于鐵磁態(tài)的相位鎖定機(jī)制，(b)螺旋磁體對(duì)于鐵磁態(tài)相位鎖定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本工作展示了手性磁體在GHz頻段的輻射可控性，揭示了自旋自由度和手性自由度在無(wú)線(xiàn)信息傳遞中的潛在應(yīng)用價(jià)值。上?？萍即髮W(xué)為該項(xiàng)研究的第一完成單位，物質(zhì)學(xué)院2023級(jí)博士研究生陳敬貽、博士后金浩楠為共同第一作者，張石磊教授為通訊作者。該工作得到了上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院、拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室、量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及上?？萍即髮W(xué)大科學(xué)中心的大力支持。

文章標(biāo)題：Mode Locking between Helimagnetism and Ferromagnetism

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03148-5