物理学院陈剑豪团队首次观测到二维自旋晶格中的准一维磁子自旋输运
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自旋电子器件正朝着更小、更集成的方向发展，而准一维磁子自旋输运的实现，是解决器件集成时信号串扰的关键。近日，北京大学物理学院陈剑豪团队取得重大突破——首次在二维阻挫条纹状反铁磁体CrOCl中，观测到由磁子平带引起的准一维长程磁子自旋输运现象，为新型磁子器件的大规模集成奠定了重要基础。
随着新一代自旋电子器件微小化、集成化的发展，研究一维的磁子自旋输运，可以有效地避免器件集成密度增大所带来的近邻器件之间的信号串扰。而根据Mermin-Wagner定理，一维自旋系统并不能形成长程有序，一维体系中非局域的自旋输运也尚未被研究者们发现。过往研究中利用三维磁体制备人工周期性条纹状的磁畴结构，可以实现对磁子跨通道传输的较好的抑制效果，但由于磁畴形成机制来源于长程的偶极相互作用，其通道的尺寸最小能到达百纳米的量级，还不足以实现真正的一维自旋输运。相比之下，利用二维材料，可以在确保长程磁有序稳定的同时，设计出那些在传统方法里难以实现的自旋结构。
二维磁性材料CrOCl具备原子级的周期性条纹状的反铁磁结构，沿着 a 轴，自旋表现为铁磁耦合，沿着 b 轴表现为以8个铁磁链为一个周期的阻挫反铁磁耦合（图1a），看起来像是具备原子级尺度的周期性“磁畴”结构（周期小至约0.5纳米，相比传统的人工条纹状磁畴结构的尺寸缩小了超过两个数量级）。经计算发现，CrOCl的磁子色散关系表现出极强的各向异性（图1b），沿着 a 轴，其磁子能带是高度色散的，具备较大的群速度；而沿着 b 轴，其磁子色散表现出平带特征，群速度几乎为零，即在 b 轴方向上磁子的传输能力会被显著限制，而这同时也会促使沿着 a 轴方向形成限制性的磁子通道，进而增强 a 轴方向的磁子传输能力。CrOCl独特的原子级阻挫条纹状磁结构为实现准一维磁子自旋输运提供了一个天然的平台。
图1. CrOCl 的磁结构以及磁子能带特征。(a) CrOCl原子级阻挫的周期性条纹结构。(b) CrOCl的磁子色散关系，沿着 a 轴高度色散，沿着 b 轴为平带。(c)利用CrOCl的磁子色散关系计算得到的沿着不同的磁子衰减长度（除以 b 轴的衰减长度）
陈剑豪团队与北京大学谢心澄院士和复旦大学肖江教授等合作，利用非局域的自旋激发探测手段，测量了CrOCl晶体中两个方向的磁子输运行为。磁子沿着 a 轴的传输能力显著增强（图2），通过指数衰减模型拟合得到的衰减长度可达7微米，优于已报道的二维材料；而沿着 b 轴的传输能力被显著抑制。两个方向的指数衰减长度之比约为4，这意味着如果磁子经历一个 a 轴的衰减长度（7微米）， b 轴方向探测到的磁子信号会迅速衰减至 a 轴方向的五十分之一。根据磁子能带计算得到的衰减长度的比值为3.8，与实验结果非常接近（图2d）。该研究揭示了二维材料在构筑新型的原子级尺度的磁结构和实现一维磁子自旋输运的潜力，对磁子器件的大规模集成有着重要的意义。
图2. CrOCl准一维磁子输运。(a)磁子沿着 a 轴（深蓝色） b 轴（粉色）两个方向的随距离衰减的行为，深绿色实线为指数衰减拟合，数据来自于厚度为20nm的样品。(b)与(a)相同，但数据来自于另一个厚度为62nm的样品。(c)不同厚度的样品两个方向的衰减长度。(d)两个方向的衰减长度之比，与理论计算值3.8相吻合
2026年3月21日，相关研究成果以《二维自旋晶格中由平带诱导的准一维磁子输运》（“Flat band induced quasi-one-dimensional magnon transport in a two-dimensional spin lattice”）为题，在线发表于《自然·通讯》上。北京大学量子材料科学中心21级博士生罗秉诚和19级博士生陈满堂（已毕业）为文章的共同第一作者，北京量子信息科学研究院陈迪助理研究员、北京大学博士后齐少勉和陈剑豪为通讯作者。北京大学叶堉教授提供了高质量的单晶样品。清华大学熊启华教授提供了样品的拉曼光谱表征数据。磁子能带的计算工作由北京大学物理学院2024级博士生王子谦在复旦大学肖江教授、北京大学宋志达研究员的指导下完成。论文的其他合作者还包括北京大学的近藤龙一（Ryuichi Shindo）研究员和山西大学的韩拯教授等。此项工作得到了国家重点研发计划“物态调控”重点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。
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