量子磁性与器件团队

团队负责人:秦华军

职务/职称

◆ 研究员
◆ 博士生导师

研究方向

◆ 原子尺度太赫兹磁振子学
◆ 可重构磁振子学与器件
◆ 量子磁振子学与器件
◆ 二维磁性与器件

学习/工作经历

◆ 2011年,中国科学院物理研究所博士
◆ 2011年5月-2015年4月,德国马普微结构物理研究所博士后
◆ 2015年6月-2018年8月,芬兰阿尔托大学应用物理系博士后
◆ 2018年9月-2021年10月,芬兰科学院项目研究员
◆ 2021年11月起,松山湖材料实验室研究员

主要成果/荣誉

◆ 2011年中国科学院优秀博士毕业生
◆ 2018及2019年,主持芬兰科学院项目共2项
◆ 在Nature Nanotechnology等国际期刊上发表论文30余篇,引用1500余次
◆ 担任国际会议分会主席和多本SCI杂志审稿人
◆ 指导博士后3名,硕博士生共6名

团队成员

副研究员 1名(待引进)

助副研究员 1名(待引进)

博士后5名(待招聘)

联合培养博士生 5名(待招聘)

团队简介

研究背景

在CMOS集成电路中,由于输运电荷而产生的焦耳热已极大地限制了芯片的进一步微型化和工作频率。因此,研发下一代低功耗超快运算技术成为了科学家们的一项重要使命。

当前,新兴起的磁振子学旨在利用自旋波或磁振子来进行信息处理、传输和存储。由于自旋波仅传输角动量、而与电荷输运无关,因此,磁振子集成电路不会产生焦耳热,从而有可能突破CMOS技术的瓶颈。同时,自旋波的高频率与短波长有利于制备纳米、超快磁振子器件。另一方面, 磁振子已经成为新颖量子材料和量子物性的一种重要表征手段,研究磁振子与其它元激发如声子的耦合在杂化磁振子学、磁性杂化体系的新奇量子物性和耦合量子器件等方面有重要意义(图1)。

图1:磁振子学旨在利用自旋波或磁振子来进行信息处理、传输和存储,其对于理解许多基本物理现象以及在低功耗超快运算和耦合量子器件等方面有着广阔应用前景。

 

研究进展

我们研究组致力于新型量子磁性材料的生长,磁振子物性表征与调控,纳米磁振子器件与集成电路,量子磁振子学和二维磁性与器件等前沿方向的实验研究。分子束外延(MBE)和脉冲激光沉积技术(PLD)能够在原子尺度上生长低维量子磁性材料和具有超低磁衰减的纳米磁性材料。微纳加工可用于制备纳米磁性器件以及磁振子集成电路。高自旋极化电子能量损失谱仪,宽带自旋波谱仪,时空间分辨扫描磁光克尔谱仪是表征GHz/THz磁振子物性的有效手段。在过去的几年中,我们利用这些先进设备主要研究了纳米磁性器件/原子层厚磁性膜中的磁振子频率,振幅和相位的有效调控。研究成果在微波/太赫兹技术、量子器件与通讯和低功耗磁振子运算方面有着重要应用价值。

(一)纳米磁性器件的自旋波物性调控

研究组代表性成果包括:纳米磁振子晶体的制备与性能调控;磁振子法布里-珀罗纳米谐振器的实验实现;铁电-铁磁体系的自旋波磁场与电场调控。

(1)纳米磁振子晶体的制备与性能调控

磁振子晶体-周期性的磁性结构-可用于控制自旋波信号。目前,磁振子晶体的研究局限于高磁衰减磁性金属或者毫米级磁性绝缘体器件中。如何实现低磁衰减的纳米磁振子晶体对于磁振子器件的微型化有着重要意义。我们利用PLD生长出高质量的纳米YIG膜,利用微纳加工制备出纳米YIG磁振子晶体。该晶体中的自旋波信号衰减很小,其能带调节范围数倍于文献值。另外,我们还制备出具有最小单元数的磁振子晶体 (图2)。

相关成果发表在《Nat. Commun. 9, 5445 (2018)》、《Phys. Rev. B 98, 224422 (2018)》,《Sci. Rep. 8, 5755 (2018)》,和《Appl. Phys. Lett. 116, 202403 (2020)》等期刊上。

图2:高质量纳米YIG薄膜以及YIG磁振子晶体。该晶体的能带调节范围数倍于文献值。(a)生长在GGG衬底上的YIG膜TEM截面图。 (b)FMR 线宽随频率线性增长,对应的磁衰减系数为α = 3.5 x 10-4。(c)YIG 磁振子晶体示意图。微波天线用于激发与接收自旋波。(d)磁振子晶体的宽带自旋波谱线,其包含4个子能带和3个能隙。(e)磁振子晶体能带与外磁场的关系。(f)磁振子晶体能隙随着晶格常数增加而减小

(2)磁振子法布里-珀罗纳米谐振器的实验实现

在光学上,法布里-珀罗谐振器已经广泛应用于电信、激光和光谱仪中进行光的调控。类似地,磁振子法布里-珀罗谐振器可用于控制自旋波和设计自旋波/微波器件。然而,磁振子法布里-珀罗谐振器却一直未能被实验证实。我们利用YIG纳米膜和铁磁金属纳米线成功地设计出了磁振子法布里-珀罗谐振器。该谐振器具有近零损耗、完全非互易性、可逆调控自旋波信号等优异性能。与光学法布里-珀罗谐振器相比,磁振子谐振器的尺寸可缩小几个数量级。该成果可用于设计窄频带自旋波或微波滤波器和微波谱仪(图3)。

相关成果发表在《Nat. Commun. 12, 2293 (2021)》期刊上。该工作在Aalto大学、PHYS.ORG、WORLD NEWSERA、SciTechDaily等网站做进一步报道。媒体报道:新型纳米自旋波器件,可用于解锁下一代计算机技术。

图3: 磁振子法布里-珀罗谐振器, 其具有近零损耗、完全非互易性、可逆调控自旋波信号等优异性能。(a)谐振器工作原理示意图。谐振器由YIG薄膜和CoFeB纳米线构成。

(b,c)谐振器控制不同频率的自旋波信号传播,f = 1.92 GHz(b)& f = 2.08 GHz(c)。

(3)铁电-铁磁体系的自旋波磁场与电场调控

在铁电-铁磁体系中,由于铁磁膜与铁电衬底之间存在很强的应力耦合,铁磁畴与铁电畴钉扎在一起,因此,通过控制铁电畴就可以控制铁磁畴中的自旋波。在该工作中,我们通过设置不同磁畴的磁化方向,从而产生不同宽度的磁畴壁,进而控制自旋波的传输。比如,磁畴结构从head-to-head变换到head-to-tail时,自旋波从完全通过畴壁到完全受阻。进一步地,我们利用铁电畴对电场的敏感性和强应力耦合效应成功地实现了自旋波振幅与相位的电场调控(图4)。这些工作对于设计低功耗纳米自旋波阀磁有着重要地指导作用。

相关成果发表在《Nat. Commun. 9, 4853 (2018)》、《Adv. Mater. (2021)》期刊上。

 

图4:(a,b)在铁电-铁磁体系中,通过改变磁畴壁结构可以实现零磁场下自旋波的可逆调控。(c)利用电场驱动畴壁实现了自旋波振幅与相位的电场调控。相关成果可用于设计低功耗纳米自旋波过滤器。

 

 (二)原子层厚铁磁薄的太赫兹磁振子

与GHz频段的自旋波不同,太赫兹磁振子在超快自旋动力学和太赫兹技术等方面有着重要作用。然而,太赫兹磁振子的短寿命和频率对外场的不敏感性,使得有效调控太赫兹磁振子变得异常困难。我们通过调节铁磁金属膜的能带与原子结构,从实验上实现了太赫兹磁振子频率与寿命的调控。代表性成果包括长寿命太赫兹磁振子;居里温度以上的太赫兹磁振子和原子级太赫兹磁振子晶体等

(1)长寿命太赫兹磁振子

太赫兹磁振子的短寿命起源于朗道衰减。有效抑制铁磁金属体系的朗道衰减将会增加磁振子的寿命。我们通过掺杂钯原子来调节原子层厚铁磁金属膜的电子能带结构,从而抑制了朗道衰减,成功地获得了长寿命的太赫兹磁振子,其可传播近20纳米。理论计算揭示了长寿命的微观机制(图5)。

相关成果发表在《Nat. Commun. 6, 6126 (2015)》期刊上。

图5:(a)双原子层厚FePd合金薄膜中太赫兹磁振子的色散关系。(b)太赫兹磁振子在实空间中传播。

(2)居里温度以上的太赫兹磁振子

磁振子能否存在于高温区,甚至高于居里温度(磁长程序已破坏)的环境中?对该问题的研究有助于理解自旋动力学相关现象如自旋贝塞克效应和指导高温磁振子器件的设计。我们在居里温度以上,实验观测到了原子层厚铁磁膜中的太赫兹磁振子,并系统地研究了其频率和寿命随温度的变化关系(图6)。

成果发表在《Phys. Rev. Lett. 118, 127203 (2017)》期刊上, 在Physics和Physics World中作为亮点进行报道。

图6:双原子层厚FePd合金薄膜中MOKE信号和自旋不对称性与温度的关系。(b)太赫兹磁振子的衰减随温度呈线性增加。

(3)原子级太赫兹磁振子晶体

磁振子晶体可用于调制自旋波信号。如何缩小晶体尺寸到原子级?这对于超快磁振子技术的发展有着促进作用。物理上,由于膜厚方向的量子限制效应,原子层厚铁磁膜的太赫兹磁振子能带解简并,分为声学支与光学支。调节其声学支与光学支能带,有可能打开各子能带之间的能隙。我们系统地研究了铁磁膜的太赫兹磁振子的色散关系;然后通过实验设计了原子层厚铁磁体系,从而实现了磁振子各子能带能量的大范围调节,并测到了声学支-光学支、光学支-光学支之间的能隙,提出了原子级太赫兹磁振子晶体的概念(图7)。

成果发表在《Phys. Rev. Lett. 123, 257202 (2019)》期刊上。该成果对于设计太赫兹磁振子滤波器或波导有着指导作用。

图7:(a)3原子层厚Co/Fe膜中量子限域的太赫兹磁振子。(b)Co/Fe膜中的磁交换常数。(c)Co/Fe膜中太赫兹磁振子的能带色散关系。

 

仪器设备

研究组拥有350平米实验室和办公室,位于松山湖创新创业社区C1栋。课题组将自主研制多套大型综合科研设备,包括时间空间分辨扫描磁光克尔谱仪、宽带自旋波谱仪、太赫兹磁振子谱仪、自旋分辨电子能量损失谱仪。研究组将紧密结合实验室公共平台设备进行薄膜生长,结构表征,磁性测量和器件制备。

(一)公共平台仪器

  • 薄膜生长:脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延
  • 结构表征:X射线衍射仪、原子力显微镜
  • 磁性表征:PPMS-VSM系统、SQUID
  • 器件制备:洁净间设备

更多信息见网站公共技术平台和大科学装置 - 松山湖材料实验室 (sslab.org.cn)

 

(二)自主搭建设备

(1)时间空间分辨扫描磁光克尔谱仪(图8)

在芬兰阿尔托大学实验室,我们已成功研制该仪器。其具有250纳米的空间分辨率,激发与探测相位锁定功能,0-26 GHz频率范围。在松山湖实验室,我们将自主搭建一套时间空间扫描磁光克尔仪器。该仪器将增加4-400K变温样品台,电场调控和pump-probe功能。

图8  空间分辨扫描磁光克尔谱仪

 

(2)宽带自旋波谱仪(图9)

在芬兰阿尔托大学实验室,我们已成功研制该仪器。其具有0-26 GHz频率范围, 0-250mT任意方向的面内磁场。在松山湖实验室,我们将自主搭建一套宽带自旋波谱仪。该仪器将增加4-400K变温样品台,0-0.5T面外磁场和电场调控功能。

图9   宽带自旋波谱仪

 

(3)自旋极化电子能量损失谱仪(图10)

该仪器具有高自旋极化率(P = 70%),宽入射电子能量范围(0-250eV),宽动量测量范围(0-2A-1),单层铁磁膜敏感性。在松山湖实验室,我们将自主研发一套自旋极化电子能量损失谱仪。该仪器将使用4K低温样品台和角分辨电子能量分析器,其将拥有超高能量、动量、自旋分辨率,可用于研究原子尺度太赫兹磁振子学。

图10:自旋极化电子能量损失谱仪示意图。

 

 

代表性论文

  1. Huajun Qin, Rasmus B. Holländer, Lukáš Flajšman, Felix Hermann, Rouven Dreyer, Georg Woltersdorf, and Sebastiaan van Dijken “Nanoscale magnonic Fabry-Pérot resonator for low-loss spin-wave manipulation” Nat. Commun. 12, 2293 (2021)
  2. Huajun QinRouven DreyerGeorg WoltersdorfTomoyasu TaniyamaSebastiaan van Dijken “Electric-Field Control of Propagating Spin Waves by Ferroelectric Domain-Wall Motion in a Multiferroic Heterostructure” Adv. Mater. 2021, 2100646
  1. H.J. Qin, S. Tsurkan, A. Ernest, and Kh. Zakeri, “Experimental realization of atomic-scale magnonic crystals” Phys. Rev. Lett. 123, 257202 (2019).
  2.  Huajun Qin, Gert-Jan Both, Sampo J. Hämäläinen, Lide Yao, and Sebastiaan van Dijken, “Nanometer-thick YIG-based magnonic crystals with large tunable bandgaps” Nat. Commun. 9, 5445 (2018)
  3. H.J. Qin, Kh. Zakeri, A. Ernst, and J. Kirschner, “Temperature dependence of magnetic excitations: Terahertz magnons above the Curie temperature” Phys. Rev. Lett. 118, 127203 (2017). Selected as Physics Focus Story.
  4. Y.-J Chen, Kh. Zakeri, A. Ernst, H.J. Qin, Y. Meng, J. Kirschner, “Group velocity engineering of confined ultrafast magnons” Phys. Rev. Lett. 119, 267201 (2017). Selected as Editors’ Suggestion.
  5. H.J. Qin, Kh. Zakeri, A. Ernst, L.M. Sandratskii, P. Buczek, A. Marmodoro, T.-H. Chuang, Y. Zhang and J. Kirschner, “Long-living terahertz magnons in ultrathin metallic ferromagnets” Nat. Commun. 6, 6126 (2015). 
  6. Kh. Zakeri, T.-H. Chuang, A. Ernst, L.M. Sandratskii, P. Buczek, H.J. Qin, Y. Zhang, and J. Kirschner, “Direct probing of fundamental exchange interaction at buried interfaces” Nat. Nanotech. 8, 853 (2013).
  7. H.J. Qin, Y. Gao, J. Teng, H.X. Xu, K.H. Wu and S.W. Gao “Laterally tunable plasmon resonance in confined biatomic-layer Ag nanodisks” Nano Lett. 10, 2961 (2010).
  8. H.J. Qin, J.R. Shi, Y.W. Cao, K.H. Wu, J.D. Zhang, E.W. Plummer, J. Wen, Z.J. Xu, G.D. Gu, and J.D. Guo, “Direct determination of electron-phonon coupling matrix elements in a correlated system” Phys. Rev. Lett. 105, 256402 (2010). 
  9. J. Chen, H.J. Qin, J. Liu, F. Yang, T. Guan, F.M. Qu, G.H. Zhang, J.R. Shi, X.C. Xie, C.L. Yang, K.H. Wu, Y.Q. Li, and L. Lu, “Gate-voltage control of chemical potential and Weak Antilocalization in Bi2Se3” Phys. Rev. Lett. 105, 176602 (2010).

 

 

岗位招聘

研究组现招聘副研究员,助理研究员,博士后以及硕博士生。现诚邀海内外有志青年加入团队,待遇优厚。有意者,请将自荐信与简历通过E-mail发送至qinhuajun@sslab.org.cn