對於石榴中國人並不陌生，相傳由出使西域的張騫將石榴栽培引入中國。其緊密排列的籽粒，也成科學家在命名化學物時的靈感來源。
我們生活的地球，主要由地殼、地幔、地核等圈層構成。而地幔又分為上地幔和下地幔。在上地幔中，造岩礦物——是針對組成岩石的礦物的統稱。
石榴石，便是上地幔的造研礦物之一。這種礦物的晶體組成，和石榴籽的形狀和顏色都十分相似，故被稱為石榴石。
釔鐵石榴石（yttrium iron garnet,YIG），是石榴石中的一類，其化學式為 Y3Fe2（FeO4）3，憑藉其磁性以及磁光性質，已被用於微波儀器和光學通訊儀器上。儘管釔鐵石榴石是一種絕緣體，但是我們依然可以利用其中一種叫自旋波（spin wave）或磁振子（magnon）（磁振子是自旋波的量子化形式，在下文中不再進行區分。）的准粒子進行信號的傳遞。
近日，中科大校友、荷蘭格羅寧根大學納米器件物理課題組博士生魏向陽和所在團隊，報道了如下發現：在室溫下，厚度為 3.7nm 的超薄釔鐵石榴石薄膜的磁振子自旋導率（magnon spin conductivity）相比於普通的釔鐵石榴石材料有了非常大的提高，同時在厚度變薄的過程中，磁振子所佔據的二維子帶數目從極大降低到極少，這可能伴隨着三維到二維自旋波輸運的轉變。
同時，磁振子在室溫下的二維體系中依然可能具有很高的自旋導率，可給開發低耗散、磁振子基的自旋電子器件打開新思路。
（來源：Nature Materials）
在相關論文的投稿過程中，評審專家認為：「這個課題對於當代自旋電子學是很有價值的。長距離的自旋輸運，使得新的基於自旋的器件設計成為可能，並為自旋波動力學開闢了新機會。作者在論文中介紹的有趣的物理現象、以及所發現的非常高的自旋導率，讓這份工作不僅可以引發相關領域專家們的興趣，也會在更廣的範圍引起大家的興趣。
其應用前景主要圍繞磁振子這一獨特准粒子展開。相比之下，以電子為載體時在信息傳遞中會產生焦耳熱；而以磁振子作為信息載體，在傳遞過程中耗散的能量很少。
另一方面，在室溫條件下磁振子能展現出量子世界的特性、自旋波波色愛因斯坦凝聚、以及自旋波超流態。
因此，魏向陽等人發現超薄釔鐵石榴石體系具有更加優良的性能，在超薄的釔鐵石榴石體系中，自旋波輸運能力更強，也更容易實現對於量子特性的調控。
「這項工作的結論是反直覺的。我和同事發現釔鐵石榴石薄膜的厚度越薄，自旋導以及自旋導率增加得越多。」其表示。
圖 | 魏向陽（來源：魏向陽）
以大家熟悉的電導和電導率為例，歐姆定律描述了一個電導體的電導與導體尺寸的關係。當一個導體的厚度越薄，它的電導會變小。而電導率作為材料本身的性質，不會隨尺寸而變化。（歐姆定律所描述的宏觀規律，並不適用於二維電子氣等具有量子特性的材料。）
對於釔鐵石榴石這樣的鐵磁絕緣體來說，當以磁振子作為載流子，就能在絕緣體中進行信號傳輸。這本身並不依賴自由電子的移動，而自由電子在導體中的定向移動會產生焦耳熱，進而導致能量的損失。
魏向陽指出，磁振子在釔鐵石榴石中的運動，其能量的耗散會低很多。此次研究發現，在釔鐵石榴石的厚度不斷變薄的過程中，參與磁振子輸運的子帶，從幾萬降低到了只有幾個，而自旋導率則提高了將近三個數量級。
這說明在釔鐵石榴石厚度變薄的過程中，磁振子的輸運可能發生了從三維到二維的轉變。而這可能是因為磁振子在二維體系中擁有更優良的性質，比如散射時間變長等。
該研究目前只是報道了這樣一種現象，背後可能仍有很複雜的物理規則。而實驗中所使用的電學測試手段具有一定局限性，比如無法具體分析不同動量的自旋波，對於自旋導率的貢獻等。因此，要想完整、準確地解釋上述現象，還得從實驗和理論兩方面做進一步的研究。
而針對上述部分的研究，魏向陽等已將其整理為論文。近日，相關論文以《超薄釔鐵石榴石薄膜中的巨磁振子自旋導率》（Giant magnon spin conductivity in ultrathin yttrium iron garnet films）為題發表在 Nature Materials 上，魏向陽擔任一作兼通訊。
圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）
從三維到二維的輸運機制變化，導致自旋導率增大
2019 年冬，魏向陽等開始着手這一研究。當時他和同事對於超薄釔鐵石榴石體系的性質，了解得不甚清楚。但是，在另一項關於超薄釔鐵石榴石自旋波晶體管的工作中，該團隊發現超薄釔鐵石榴石體系可能擁有一些很有意思的性質。
因此，課題組決定對釔鐵石榴石的磁振子輸運性質與厚度之間的關係，進行系統性研究。
魏向陽表示：「法國合作者 Jamal Ben Youssef 博士負責釔鐵石榴石超薄薄膜的生長，而我們在荷蘭格羅寧根進行器件製備和測試。」
通過測量不同厚度的釔鐵石榴石的自旋波輸運信號，該團隊初步發現在更薄的薄膜中，反而可以觀察到更大的自旋波輸運信號。
（來源：Nature Materials）
觀察到這個現象之後，研究人員一邊思考原因，一邊建立模型把自旋導率從實驗數據中提取出來。
最開始，魏向陽等覺得原因可能是：薄膜的表面和體相，對於自旋波輸運的貢獻不同導致的。相對於體相來說，表面的自旋導率可能性更高。而在薄膜變薄的過程中，來自表面的貢獻比例變得更大，更佔主導地位。
「很快我們就發現這個假設是錯誤的，因為從厚薄膜到超薄的薄膜，信號增大了很多倍，如果有這樣一個主導層的存在，那麼它應該始終佔主導，信號不會隨厚度變化，就像是兩個相差很多倍的電阻並聯，整體電阻由電阻較小的部分決定，」其表示。
後來，課題組通過計算髮現，在釔鐵石榴石厚度降低過程中，自旋波子帶數目急劇減少。而強磁場和低溫的測試數據也說明，在超薄釔鐵石榴石中，輸運是由能量低的自旋波主導的。
因此，他們認為在薄膜厚度變薄的過程中：自旋導率的增大，可能與自旋波從三維到二維的輸運機制變化有關。
（來源：Nature Materials）
正在利用超薄釔鐵石榴石的高自旋導率進行進一步研究
魏向陽補充稱，這次工作是大家在以往工作基礎上的延伸和深入。課題組利用很多現有方法，來探索釔鐵石榴石薄膜的自旋導率。
其中很多概念和模型，已在課題組之前的釔鐵石榴石薄膜工作中有所介紹。因此，本次關於超薄釔鐵石榴石體系的研究，才能更深入、更系統地對釔鐵石榴石的自旋導率進行探索。
自旋波在鐵磁絕緣體中的輸運，是近年來一個蓬勃發展的領域。「我之前的同事 Ludo Cornelissen 博士、單娟博士、劉靜博士，做了很多奠基性工作。比如，鐵磁絕緣體中自旋波的電學激發與探測[1，2]、提出研究化學勢驅動的自旋波輸運的方法[3]、電流控制的自旋波晶體管[4]等，」魏向陽表示。
而目前他正利用超薄釔鐵石榴石優良的自旋導率，進行電激發和探測自旋波波色愛因斯坦凝聚等方面的研究。
儘管此次擔任通訊作者，但魏向陽還是一名博士生，師從荷蘭格羅寧根大學納米器件物理課題組的 Bart van Wees 教授。魏向陽本科畢業於中國科學技術大學材料化學專業，畢業後來到格羅寧根大學讀碩和讀博。博士畢業後，他將去新加坡做一期博後研究，結束後希望能有機會回到國內繼續做科研。
參考資料：
1.Cornelissen, L. J., et al. "Long-distance transport of magnon spin information in a magnetic insulator at room temperature." Nature Physics 11.12 (2015): 1022-1026.
2.Shan, J, et al. "Criteria for accurate determination of the magnon relaxation length from the nonlocal spin Seebeck effect." Physical Review B 96.18 (2017): 184427.
3.Cornelissen, L. J., et al. "Magnon spin transport driven by the magnon chemical potential in a magnetic insulator." Physical Review B 94.1 (2016): 014412.
4.Cornelissen, L. J., et al. "Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a three-terminal magnon transistor." Physical review letters 120.9 (2018): 097702.
