鐵磁材料中隻存在右手手性的磁振子，因此在自旋電子學的研究中通常隻考慮一個獨立的本征自由度，即電子的自旋。2014年，德州大學奧斯汀分校牛謙教授與合作者在理論上提出反鐵磁材料中可以同時存在右手和左手手性的磁振子，并攜帶相反的角動量。後續理論工作表明，磁振子的手性可以作為一種獨立的自由度，右手和左手手性的線性疊加可以産生有趣的量子态，即磁振子isospin (又稱Bloch sphere)，由此可以實現基于手性的磁振子計算。同時，磁振子的手性是一種本征的自由度，利用磁振子的手性作為信息載體可以實現更加高效、節能、非易失的信息傳輸與處理。然而，截至目前，實驗研究人員還未能在反鐵磁材料中實現具有獨立自由度的手性磁振子。

近期，beat365官方网站量子材料科學中心栗佳研究員課題組與中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心趙宏武研究員、孟洋副研究員，中國科學技術大學牛謙教授合作，對人工亞鐵磁材料Py/Gd多層膜的自旋泵浦效應進行了研究。這種特殊設計的人工亞鐵磁多層膜，隻有最外層Py層對自旋泵浦效應有貢獻；通過降低溫度，可以調控人工亞鐵磁多層膜從Py主導的亞鐵磁序相變為Gd主導的亞鐵磁序。利用上述特性，聯合研究團隊在人工亞鐵磁多層膜的最外層Py層中成功實現了右手和左手手性的磁振子，并驗證了該種材料中的磁振子手性是一種本征的獨立自由度，這是首次在實驗中實現具有獨立自由度的手性磁振子。此外，聯合研究團隊還發現，在保持溫度、微波頻率、外磁場方向等實驗條件不變的情況下，僅通過小幅改變外磁場就可以實現對磁振子手性的調控和同步探測。該研究成果表明磁振子手性是自旋電子學中除電子自旋以外的另一種獨立本征自由度，極大拓展了自旋電子學的研究内容，為基于手性的自旋電子學研究鋪平了道路，預示着手性磁振子在計算與器件中的應用成為可能。

圖 磁振子的手性作為獨立自由度進行調控。(a) 右手與左手手性的磁振子攜帶相反的角動量，通過自旋泵浦産生自旋極化方向相反的自旋流；(b) 通過調控人工亞鐵磁樣品的共振模式，成功實現磁振子手性的調制；同時利用人工亞鐵磁樣品隻有最外層鐵磁層(Mouter-layer)貢獻自旋泵浦的優勢，通過逆自旋霍爾電壓實時讀取磁振子的手性。

2022年3月10日，相關研究成果以“人工亞鐵磁中磁振子手性的切換”（Switching magnon chirality in artificial ferrimagnet）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications），并且被編輯推薦為亮點文章（Featured articles）。beat365官方网站量子材料科學中心2016級博士研究生劉雅卉為第一作者；栗佳、孟洋、牛謙為共同通訊作者。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28965-7