磁子学中的拓扑物态与量子效应

Topological states and quantum effects in magnonics

王振宇，李志雄，袁怀洋，张知之，曹云姗，严鹏

物理学报, 2023, 72(5): 057503.

doi: 10.7498/aps.72.20221997

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近年来，随着物联网、云计算、大数据、人工智能以及5G等新兴技术的快速发展，人们对计算能力的要求越来越高。传统半导体器件在小型化、节能和散热等方面面临着巨大的挑战，因此急需寻找一种全新的信息载体来代替电子进行信息传输与处理。磁子是量子化的自旋波，描述磁矩进动的集体激发。每个磁子携带一个约化普朗克常量的自旋角动量，因此磁子也可以像电子一样承载和传递自旋信息。相较于传统的电子器件，基于自旋波的磁子器件具有以下优势：（1）磁子的传输不依赖电子的运动，可以在磁性导体、磁性半导体和磁性绝缘体中传播，避免了焦耳热导致的能耗问题；（2）自旋波的波长可以小到几个纳米，有利于磁子器件的小型化和集成化，提高信息的存储密度；（3）自旋波的频率范围横跨吉赫兹（GHz）到太赫兹(THz)，可以提高信息传输与处理的速度；（4）磁子具有振幅、相位、极化等波动属性，可以设计出各种逻辑器件，因此有望研制出基于自旋波的具有存算一体功能的自旋电子器件。由于上述优势，自旋波成为自旋电子学领域的一个研究热点，并衍生出一门新兴学科：磁子学（magnonics）。

当前，磁子学领域正处于飞速发展的阶段，人们近年来在该领域取得了一系列的重要研究进展。比如，短波长自旋波的激发与传输，基于拓扑磁结构的磁子传输与调控，新兴自旋波探测技术的发展，磁子结和磁子阀等磁子型器件的研制等；同时还发现了一系列新奇的磁子量子效应，如自旋波多普勒效应、磁子霍尔效应、磁子玻色-爱因斯坦凝聚、磁子频率梳、磁子汉勒效应等；并衍生出众多分支：手性磁子学、非线性磁子学、拓扑磁子学以及量子磁子学等，如图1所示。

本文详细总结和概括了作者团队近年来在手性磁子学、非线性磁子学、拓扑磁子学和量子磁子学等方面的研究成果，主要包括自旋波的手性传播，自旋波与磁孤子非线性散射导致的磁子频率梳，磁孤子的拓扑边界态和高阶角态，以及磁子量子态、基于磁子的混合量子体系和腔磁子学。最后，对磁子学的未来发展趋势和前景进行了分析与展望。希望吸引更多的国内研究人员了解并进入磁子学这个充满活力的新兴领域。

图1   磁子学领域的研究框架及其分支