今天我想和大家談談一篇非常有趣的文章，題目是“觀測和控制混合自旋波-邁斯納電流輸運模式”。 本文作者是來自荷蘭代爾夫特理工大學的一組物理學家，他們利用超導體的磁遮蔽效應來操縱薄膜磁體中自旋波的傳輸，並利用金剛石中的氮空位（NV）自旋來實現磁場的高解像度成像。 他們觀察到超導體中自旋波和邁斯納電流之間的混合傳輸模式，並使用雷射實現對自旋波折射的區域性控制。 這些結果證明了超導體在調控自旋波傳輸方面的巨大潛力，也為自旋波的應用開闢了新的可能性。
自旋波是磁性材料中存在的一種集體激勵，它是由磁矩與平衡方向的輕微偏差產生的。 您可以將磁矩想象成乙個微小的指南針，由於周圍磁場和其他磁矩的影響而改變方向。 當磁矩偏離平衡時，它會產生周圍磁矩的擾動，並且這種擾動像波一樣傳播，這就是自旋波。 自旋波的波長範圍從奈米到微公尺，其頻率範圍從幾赫茲到幾十千兆赫茲。 自旋波傳播的速度和方向取決於磁場的大小和方向，以及磁性材料的性質。
自旋波有什麼用？自旋波可以在磁性材料中攜帶自旋資訊，也就是說，它可以在不需要電流的情況下傳輸資訊。 這樣可以避免電流引起的能量損失和熱效應，提高資訊處理的效率和速度。 自旋波還可以執行非常複雜的功能，如非互易性、非線性、干涉、衍射、折射等，這些都是基於電荷的電子器件難以實現的。 因此，自旋波被認為是一種非常有前途的訊號載體，可用於構建新型的磁邏輯、儲存、通訊和計算裝置。
超導體是一種在低溫下具有零電阻和強抗磁性的材料。 零電阻意味著電流可以在超導體中流動而不會損耗，而強抗磁性意味著超導體可以排斥外部磁場，這被稱為邁斯納效應。 超導體的這些特性使其在電學、感測、成像、量子資訊等領域具有廣泛的應用。
超導體如何實現零電阻和抗磁性？這涉及一種稱為庫珀對的粒子，它是由兩個具有相反自旋的電子交換聲子形成的束縛態。 庫珀對的總自旋為零，因此不受外磁場的影響，不產生磁場。 庫珀對的總動量也為零，因此它不會與晶格碰撞，也不會產生阻力。 當超導體的溫度降至臨界值以下時，電子形成庫珀對，並通過稱為玻色-愛因斯坦凝聚的過程佔據相同的量子態。 這樣一來，超導體中的所有庫珀對就像乙個巨大的量子波函式，可以暢通無阻地流動，從而產生了超導現象。
超導體的抗磁性可用於改變自旋波在磁性材料中的傳播特性。 當超導體與磁性材料接觸時，超導體中的邁斯納電流會在介面處產生反向磁場，從而抵消磁性材料的磁場。 通過這種方式，超導體充當阻擋或反射自旋波的磁遮蔽。 當超導體溫度公升高時，邁斯納電流減弱，磁遮蔽效應減弱，自旋波可以部分穿透超導體。 這樣，超導體的溫度就可以用來調節自旋波的傳輸。
*作者利用這一原理製備了由超導體鈮（NB）和磁性鐵氧體（YIG）組成的雙層薄膜結構。 他們在YIG表面雕刻出不同形狀的NB圖案，然後用微波天線激發YIG中的自旋波，用金剛石探針掃瞄YIG上方，利用NV自旋的磁共振訊號來測量自旋波的磁場分布。 他們發現，當Nb處於超導狀態時，自旋波的波長明顯縮短，因為Nb的磁遮蔽效應增強了Yig的等效磁場，從而增加了自旋波的頻率。 當Nb處於正常狀態時，自旋波的波長恢復到原來的值，因為Nb的磁遮蔽效應消失，YIG的等效磁場恢復到原來的值，從而降低了自旋波的頻率。
他們還發現，當NB的形狀為圓形或方形時，自旋波在NB的邊緣被反射，形成駐波圖案。 當Nb的形狀為三角形時，自旋波在Nb的頂點處折射，形成散射圖案。
除了利用超導體的溫度來調節自旋波的傳輸外，作者還利用雷射的熱效應來實現對自旋波的區域性控制。 他們使用聚焦的雷射束照亮YIG表面上的乙個點，導致該點的溫度公升高，從而改變該點的磁場和自旋波的頻率。 通過這種方式，雷射充當可移動的磁障，可以對自旋波產生折射或反射作用。 他們發現，當雷射的功率足夠大時，自旋波在雷射的邊緣被充分反射，形成自旋波的波導管。 當雷射的功率較小時，自旋波會在雷射的邊緣部分折射，形成自旋波的透鏡。