近期，太阳集团tcy8722的杨德政教授和薛德胜教授课题组在《自然·通讯》杂志上发表了题为《Acoustic spin rotation in heavy-metal-ferromagnet bilayers》的研究论文。通过声子与电子自旋-电荷动力学的相互作用，首次实现了声子驱动下自旋流中自旋方向的旋转，深入揭示了自旋流和晶格运动之间新的耦合机制。

近年来，声子与电子自旋-电荷动力学相互作用的研究开辟了自旋电子学的新领域。该领域已经建立了声子与自旋（或磁矩）的耦合关系，并同时证明了声子具有手性，可以像电子、磁子和光子一样，在非磁性材料甚至绝缘体中传递自旋信息，显著拓展了自旋电子学的应用范围。由于声子还天然具备波动特性，如传输距离远、传播范围广、无接触操控等，所以声自旋电子器件在集成度、能耗、结构设计和波动量子计算等方面具备更大优势。

考虑到电子和晶格运动的相对性，电子朝着晶格运动等效于晶格朝着电子运动，因此，晶格运动可以代替电子运动，给自旋轨道耦合调控提供新的自由度。如图1所示，研究团队巧妙利用表面声学波驱动晶格运动，通过界面自旋轨道耦合的作用，在铁磁/重金属异质结中成功实现了运动晶格对自旋方向的调控。这项研究从概念上突破了自旋电子器件中晶格相对静止的局限，揭示了在磁、声、电多场耦合下，自旋和晶格运动之间存在的一种新的耦合。该耦合机制主要起源于表面声学波诱导的非均匀磁化梯度，导致一个新的自旋轨道力矩生成，从而使自旋方向发生旋转。与基于电荷运动的传统自旋电子器件相比，声自旋旋转效应表现出更高的效率。通过自旋输运的漂移扩散模型，声自旋旋转效率可达30%。这一发现赋予了声学器件直接控制自旋的能力，为自旋流中自旋方向的声子调控提供了新的思路，并为表面声学波的自旋调控机制提供了新的观点。

图1 (a) 表面声学波器件和测量构型示意图。(b) 表面声学波器件S21传输参数。(c) 自旋器件声电压角度依赖关系。(d) 以90度为对称轴，声电压可分解为红色对称部分和蓝色反对称部分，其中对称部分为正常声自旋泵浦电压，反对称部分与正常声电压存在90o相位差，为声自旋旋转效应导致的反常声自旋泵浦电压。(e) 声自旋旋转效应的物理机制示意图。

太阳集团tcy8722曹洋博士后为论文第一作者, 杨德政教授和薛德胜教授为论文共同通讯作者。该工作是在司明苏教授、贾成龙教授、席力教授以及北京航空航天大学雷娜副教授大力支持下完成的。其他合作者还包括丁浩硕士、李通博士和赵逸冰博士、左亚路副教授、李喜玲高工和曹江伟教授。该工作获得国家自然科学基金、中央高校创新团队科研业务费及111引智等项目的支持。

论文原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45317-9

Yang Cao, Hao Ding, Yalu Zuo, Xiling Li, Yibing Zhao, Tong Li, Na Lei, Jiangwei Cao, Mingsu Si, Li Xi, Chenglong Jia, Desheng Xue*, Dezheng Yang*, Acoustic spin rotation in heavy-metal-ferromagnet bilayers. Nat. Commun. 15, 1013 (2024).