近期，深圳国际量子研究院王锦龙助理研究员联合荷兰乌得勒支大学Rembert A. Duine教授课题组、瑞士苏黎世联邦理工大学Pietro Gambardella教授课题组及北京航空航天大学于海明教授课题组，在手性自旋阻挫态的零场磁子翻转研究方面取得重要创新性成果。研究团队展示了在铋掺杂的钇铁石榴石薄膜中实现手性自旋阻挫态的磁子翻转，从而为利用磁子操控自旋阻挫态提供了全新途径。这项研究成果以“ Observation and Control of Chiral Spin Frustration in BiYIG Thin Films”为题发表在Physical Review Letters。

图1. 手性自旋阻挫及NV探测示意图

自旋阻挫是指一类材料中自旋无法同时满足的竞争性交换相互作用，导致系统产生多个高度简并的基态。在传统磁性材料中，阻挫通常源于几何结构。例如，在三角晶格上的反铁磁相互作用，使得自旋无法同时满足所有相邻自旋反向排列的要求，导致系统存在多个能量简并的基态。

图2.(a)从左侧注入磁子的有效开关示意图(k)。(b) 从右侧注入磁子的无效开关示意图(−k)。(c) +k磁子激发频率与功率谱，在(a)所示的实验构型下，磁子从左侧注入实现阻挫态从ULU到DLD的切换，其中颜色代表逆自旋霍尔电压符号。(d)-k磁子激发频率与功率谱，在(b)所示的实验构型下，磁子从右侧注入阻挫态保持稳定。

该研究中引入了手征自旋阻挫，这类阻挫态是由 DMI 相互作用导致的，并不需要空间上的非共线结构。BiYIG中的手性自旋阻挫结构通过非局域自旋泵浦以及氮空位色心技术得到了证实。在此基础之上研究人员首次证明了这类自旋阻挫态之间能够通过传输的磁子在零磁场下进行切换调控，并且发现翻转过程具有单向性，即能否翻转取决于注入磁子流的方向。翻转结果可以通过ISHE电压进行表征，实验发现，自旋阻挫态之间的磁子转换具有严格的方向锁定效应。当从左侧天线注入+k方向磁子流时，能切换阻挫态；而右侧注入的-k方向磁子流则无法触发翻转。这种非对称性源于DMI诱导的力矩与磁子传播方向的匹配关系。该研究首次实验发现并证实了“手性自旋阻挫”这一新物理现象，突破了传统阻挫对几何结构的依赖，成功地将手性相互作用、自旋阻挫和磁子输运这三个前沿领域结合起来，有望为实现基于磁子的下一代低功耗、高性能信息处理器件开辟全新的道路。

该工作的第一作者为国量院王锦龙助理研究员，瑞士洛桑联邦理工大学博士生王涵晨（原国量院访问学生），瑞士洛桑联邦理工大学博士生徐哲文，荷兰乌德勒支大学博士生Artim L. Bassant。荷兰乌得勒支大学Rembert A. Duine教授，瑞士苏黎世联邦理工大学Pietro Gambardella教授和北京航空航天大学于海明教授（国量院访问学者）为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等单位的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/wjvv-lp7n