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物理学院栗佳课题组发现自旋流输出引发反耗散新现象

北京大学

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增大信号输出通常伴随着信号源能耗的增加，即信号源能耗与信号输出正相关，这一正相关性成为了低能耗器件研发中的绊脚石。北京大学物理学院栗佳团队与中国科学技术大学牛谦教授等合作，发现了与自旋流输出负相关的反耗散现象。2026年4月17日，相关研究成果以《磁体间泵浦抵消人工亚铁磁结构中的耗散》（Inter-magnet pumping counters dissipation in artificial ferrimagnets）为题，在线发表于《自然·物理》（Nature Physics）。这一首次发现的奇异现象揭示了双子晶格磁性系统中磁体间相互作用在动力学中的关键作用——描述双子晶格磁性系统的动力学时，必须扩展朗道-利夫希兹-吉尔伯特方程，增加子晶格间阻尼项。

对于铁磁材料，输出自旋流总会带来额外的耗散，即增加铁磁系统的吉尔伯特阻尼（Gilbert damping）。此时，系统的阻尼与自旋流输出正相关，属于常规的正耗散现象。以自旋泵浦为例，这一现象可以唯象地用传统的朗道-利夫希兹-吉尔伯特（Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG）方程定量描述。近年来，随着双子晶格磁性系统（two-sublattice magnetic system）受到越来越广泛的关注，例如亚铁磁（ferrimagnet）和反铁磁（antiferromagnet），传统的LLG方程也被用于描述此类磁性系统的动力学行为。基于传统的LLG方程，研究人员普遍认为铁磁系统中阻尼与自旋流之间的正相关性应当同样适用于双子晶格磁性系统。然而，截至目前，尚没有任何实验或理论工作对这一关键性问题进行探究。

人工亚铁磁结构自旋泵浦中的正耗散和反耗散现象的示意图

本工作中，研究团队对人工亚铁磁结构Py/Gd多层膜的阻尼进行了系统性研究。这种特殊设计的人工亚铁磁结构中，仅有最外层Py对自旋流输出有贡献。同时，通过降低温度还可实现从Py主导的亚铁磁序变为Gd主导的亚铁磁序。在Gd主导亚铁磁序的自旋泵浦实验中，作者发现自旋流输出会降低人工亚铁磁结构的有效阻尼，即阻尼与自旋流输出负相关。这种反耗散（counter dissipation）现象此前从未在实验中被发现，也从未被理论预测。与之相对，作者在Py主导亚铁磁序的自旋泵浦实验中观测到了常规的正耗散现象。这项研究的实验与理论结果表明，传统的LLG方程无法描述这一反耗散现象，必须扩展LLG方程以增加子晶格间阻尼项。理论分析表明，在亚铁磁系统的铁磁共振模式中，磁体间泵浦可以抵消系统的阻尼，进而导致反耗散现象。作者在实验中还观测到了与反耗散现象同步的自旋流输出效率的明显增加，并且在变温实验中发现了一种特殊的线偏振亚铁磁共振模式。该研究成果推翻了人们对阻尼与自旋流之间相关性的固有认知、革新了对自旋动力学的理解，为研发低能耗自旋电子学器件提供了新的物理机制。