传统微纳电子器件以传导电子为载流子，器件存在难以克服的焦耳热。磁介质中自旋波(磁振子为自旋波的能量量子)可在绝缘体中传输，不存在焦耳热，因而作为潜在的低功耗信息器件受到广泛关注。但磁介质通常存在畴壁等磁矩空间取向不一致的区域，这种空间非均匀磁结构对磁振子传输影响较复杂，存在较多争议。我院张悦副教授近期在上述领域开展了计算研究，取得以下两点成果：

1. 铁磁复合结构中磁振子自旋流的自旋互换(Spin-Swapping)效应。

自旋流是同时描述自旋取向和自旋流动的张量。除传导电子外，由于交换耦合，磁振子传输也可形成自旋流。理论预测由于重金属/磁性金属界面的自旋轨道耦合，界面附近可发生自旋互换(Spin-Swapping)效应，即自旋取向和自旋流动方向互换，但一直缺少实验证据。

2022年，东南大学林维维教授与Johns-Hopkins大学钱嘉陵教授课题组合作，实验上发现了在倾斜反铁磁绝缘体中存在磁振子自旋流的自旋互换。并且，这种现象只出现在垂直磁化和面内磁化共存的倾斜反铁磁中，在磁各向异性单一的共线磁介质中，没有观察到相关现象。

受其工作启发，在电子科技大学严鹏教授的指导下，我院张悦副教授计算预测了在两种磁各向异性共存(内部垂直各向异性，表面面内各向异性)的复合铁磁体系中，由于界面的交换耦合，也可产生自旋互换效应。更重要的是，这种由于自旋互换效应产生的垂直自旋流可产生微伏级逆自旋霍尔电压，与传统自旋泵浦产生逆自旋霍尔电压非常接近。表明如果磁场不是足够大，磁性材料表面磁矩空间取向的不一致性可能会对逆自旋霍尔电压测试产生不可忽视的影响。

相关工作近期以快报形式发表于PRB，第一作者为张悦副教授的博士生崔淑婷，张悦副教授与严鹏教授为共同通信作者。以下为论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.108.L180402

2. 体声波激励的磁子结效应

磁隧道结是自旋电子学的经典器件，由磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属组成。当两层磁性金属磁矩取向反平行时，隧道结表现高阻态，而平行时为低阻态。基于磁隧道结的传感器和存储器已广泛应用。

除传导电子外，磁振子也可传输自旋。2018年，中科院物理所韩秀峰研究员提出了磁子结效应，他们在磁性绝缘体/非磁绝缘体/磁性绝缘体三层结构中观察到当两磁性层磁矩平行时，磁振子可穿透磁子结，而当两磁性层磁矩反平行时，磁子结不能穿透。这种磁子结器件没有焦耳热。但磁子结效应机制尚不清楚。一般认为当两磁性层磁矩平行时，反铁磁层中一种手性的磁振子散射较弱；而两磁性层磁矩反平行时，反铁磁层两种手性磁振子均受到强散射。然而，反铁磁层内部磁结构较复杂，两套子格子可能独立，也可能相互嵌套。对于后者，两种手性磁振子传输路径相互叠加。

我院傅邱云教授和张悦副教授合作，计算了体声波驱动磁子结效应。发现当两磁性层磁矩取向处于平行和反平行状态时，反铁磁层内部磁矩结构存在微小差别。当两磁性层磁矩反平行时，反铁磁层磁矩偏离稳定态的取向存在从正到负的转变，中心处磁矩严格平行易轴；当两磁性层磁矩平行时，反铁磁层磁矩偏离稳定态的取向没有符号变化。并且，不论反铁磁层两子格子磁矩是否相互嵌套，都存在这种现象。由于激励磁进动的前提是磁矩要偏离易轴，因此，当两磁性层磁矩反平行，反铁磁层中心处严格沿易轴的磁矩阻碍了磁进动和磁振子传输。当两磁性层磁矩平行时，不存在这种阻碍。从而为磁子结效应提供了更合理的解释。

相关工作近期发表于PRB，第一作者为傅邱云教授的博士生凌寒冰，傅邱云教授和张悦副教授为共同通信作者。以下为论文链接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.108.174404