NUS & KAIST團(tuán)隊(duì)揭示磁振子“反常壽命反轉(zhuǎn)”，托托科技Kerr顯微鏡助力自旋新發(fā)現(xiàn)

近日，新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系Hyunsoo Yang教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院物理系Kyung-Jin Lee教授團(tuán)隊(duì)，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，該研究成果以“Inversion of magnon lifetime of ferromagnetic and exchange resonance modes in ferrimagnets”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

該研究系統(tǒng)探索了亞鐵磁材料CoGd中兩種本征自旋共振模式——鐵磁共振（FMR）模式和交換共振（EXR）模式的磁振子壽命行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)附近，高頻的交換共振模式反而展現(xiàn)出比低頻鐵磁共振模式更長(zhǎng)的磁振子壽命，打破了“頻率越高、壽命越短”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

在這一突破性研究中，托托科技（TuoTuo Technology）的磁光克爾顯微鏡為磁性薄膜的磁滯回線表征提供了關(guān)鍵測(cè)量支持，為確定材料的磁化補(bǔ)償點(diǎn)與角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

研究背景：高頻與長(zhǎng)壽命的矛盾

在阻尼諧振子體系中，頻率與壽命通常呈反比關(guān)系。這一規(guī)律同樣適用于磁化振蕩體系：反鐵磁體雖具有更高的共振頻率，但其磁振子壽命遠(yuǎn)短于鐵磁體，限制了其在高速、低功耗自旋器件中的應(yīng)用。

亞鐵磁材料兼具鐵磁與反鐵磁特性，存在兩種本征共振模式：低頻的鐵磁共振模式（GHz量級(jí)）與高頻的交換共振模式（亞THz量級(jí)）。交換共振模式因頻率更高，理論上更適用于高速信息處理。然而，按照傳統(tǒng)認(rèn)知，其壽命應(yīng)遠(yuǎn)短于鐵磁共振模式，這成為制約其應(yīng)用的核心瓶頸。

技術(shù)創(chuàng)新：打破頻率-壽命反比關(guān)系

研究團(tuán)隊(duì)以典型亞鐵磁材料CoGd為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)組分與溫度，精確調(diào)控磁化補(bǔ)償點(diǎn)與角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)。結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)磁光克爾（MOKE）磁滯回線和時(shí)間分辨磁光克爾效應(yīng)（TR-MOKE）光譜，同時(shí)探測(cè)交換共振與鐵磁共振兩種模式的動(dòng)力學(xué)行為。

圖. 時(shí)間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量亞鐵磁磁振子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)示意圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)溫度調(diào)控接近角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)（225 K），研究人員觀察到關(guān)鍵現(xiàn)象：高頻交換共振模式的壽命逐漸增長(zhǎng)，并最終超過(guò)低頻鐵磁共振模式，兩條壽命曲線發(fā)生交叉。

圖. 不同溫度下磁振子頻率與壽命的演化，在補(bǔ)償點(diǎn)附近顯示壽命反轉(zhuǎn)及阻尼機(jī)制

從物理機(jī)制上看，亞鐵磁具有不同阻尼常數(shù)的子晶格，且在不同模式中阻尼項(xiàng)的合成方式不同。在鐵磁共振模式中，阻尼效應(yīng)同向疊加，因此整體耗散增強(qiáng)，壽命縮短。而在交換共振模式中，由不同阻尼常數(shù)導(dǎo)致的阻尼貢獻(xiàn)會(huì)發(fā)生抵消，從而降低有效阻尼，最終導(dǎo)致壽命反轉(zhuǎn)。

該工作揭示了在單一材料體系中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻與長(zhǎng)壽命磁振子的全新機(jī)制，為突破傳統(tǒng)自旋動(dòng)力學(xué)限制提供了重要思路。通過(guò)調(diào)控亞鐵磁補(bǔ)償點(diǎn)附近的動(dòng)力學(xué)特性，有望為高速、低功耗自旋電子器件以及磁振子信息傳輸技術(shù)帶來(lái)新的發(fā)展路徑。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：托托科技Kerr顯微鏡的關(guān)鍵貢獻(xiàn)

為了準(zhǔn)確確定不同組分CoGd薄膜的磁化補(bǔ)償點(diǎn)與角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行了磁滯回線表征。實(shí)驗(yàn)采用托托科技的磁光克爾顯微鏡進(jìn)行極向磁光克爾效應(yīng)（polar MOKE）測(cè)量，結(jié)合振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）數(shù)據(jù)，成功提取了飽和磁化強(qiáng)度與矯頑力隨組分的變化曲線。

圖. CoGd亞鐵磁薄膜補(bǔ)償點(diǎn)附近的磁學(xué)性質(zhì)表：Ms，Hc，R_AHE

基于磁光克爾顯微鏡獲得的矯頑力峰值與磁化強(qiáng)度最小值，研究團(tuán)隊(duì)精確鎖定了CoGd薄膜在室溫下的磁化補(bǔ)償點(diǎn)（組分Gd ~25%），角動(dòng)量補(bǔ)償點(diǎn)（組分Gd ~23%）。這一部分?jǐn)?shù)據(jù)為后續(xù)TR-MOKE動(dòng)力學(xué)測(cè)量提供了關(guān)鍵的前提條件。

托托科技磁光克爾顯微鏡：精準(zhǔn)表征磁性薄膜

托托科技的磁光克爾顯微鏡專為磁性薄膜與自旋電子學(xué)材料設(shè)計(jì)，具備以下核心優(yōu)勢(shì)：

設(shè)備搭載Digital Oblique®光學(xué)系統(tǒng)，傾斜角度的控制精度更可達(dá)到0.03°，無(wú)需手動(dòng)調(diào)控，可完成全自動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化，測(cè)量重復(fù)性?？商綔y(cè)低至2nm面內(nèi)薄膜信號(hào)和1個(gè)原子層厚度的垂直各向異性薄膜。另外，設(shè)備具備優(yōu)于0.5μm的顯微磁疇空間分辨率，能清晰分辨納米疇壁與磁疇陣列。

設(shè)備同時(shí)支持直流、脈沖、微波及光驅(qū)動(dòng)等多激勵(lì)源，并能同步觀測(cè)磁疇動(dòng)態(tài)，一站式實(shí)現(xiàn)電、磁、光信號(hào)的關(guān)聯(lián)采集與分析。

一項(xiàng)突破性成果的背后，離不開(kāi)每一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)支撐。
托托科技很榮幸能夠?yàn)楸狙芯繄F(tuán)隊(duì)提供高精度磁光克爾顯微鏡，助力其在自旋動(dòng)力學(xué)前沿領(lǐng)域取得重要發(fā)現(xiàn)。

未來(lái)，托托科技將繼續(xù)深耕磁光表征技術(shù)，為自旋電子學(xué)、磁性材料、MEMS、量子器件等前沿領(lǐng)域的科研工作者提供可靠、精準(zhǔn)、高效的測(cè)量與制造平臺(tái)，助力更多“從0到1”的突破。

DOI: 10.1038/s41467-026-69453-6