科技日报记者 张盖伦
芯片的能耗与发热，源于电子在电路中流动时不可避免的电阻损耗。科学界一直在寻找不用电子传递信息的新路径。近日，深圳国际量子研究院陈济雷课题组与合作者在反铁磁体与铁磁体异质结中，首次实现了对反铁磁体暗磁子的直接观测，为低功耗磁子器件、量子自旋信息调控开辟新方向。相关成果于近日发表于国际学术期刊《自然·通讯》。
磁子是电子自旋协同晃动产生的自旋波的最小能量单元。磁子不带电，因此磁子传输信号时，不会产生电流带来的发热。在各类磁性材料中，反铁磁体因其高度稳定和高频响应的特性受到学界关注。和容易被探测到的亮磁子不同，暗磁子不和可见光直接作用，仿佛隐身，常规手段很难探测。但暗磁子具备相干寿命长、辐射损耗低的特点，理论上是承载和传输量子信息的理想载体。
如何让暗磁子现身？陈济雷介绍，团队选取了一种范德华反铁磁体CrSBr，从它身上寻求突破。
在CrSBr其中一支磁子模式中，电子自旋的动态变化彼此抵消，几乎不产生整体的动态磁化响应，难以与外部微波电磁场有效耦合，无法被直接探测，呈典型的“暗磁子模式”。
团队将CrSBr薄膜与YIG薄膜贴合在一起，构成异质结。YIG是一种经典的铁磁绝缘体，其磁子很容易被微波激发和探测。由于两种材料的界面存在交换相互作用，CrSBr中的暗磁子可以与YIG中容易被探测到的磁子发生耦合。这样，当YIG中的磁子被激发和探测时，CrSBr中的暗磁子也会通过对YIG微波响应的影响显现出来，从而实现间接探测。
“如果一个人在一群人中始终默不作声，很难被注意到。我们把他和一位善于表达、容易引人注意的人放在一起。后者活动时，前者也会连带着被看到。”陈济雷形容，在暗磁子“现形”的过程中，界面交换相互作用就像一座“桥梁”，让原本难以被探测的暗磁子通过与亮磁子的耦合，显现出可被探测的信号。
综合比较、分析得到的信号后，研究人员确认观测到的确实是暗磁子。同步进行的模拟实验，也验证了观测信号对应的就是理论预测的暗磁子模式，排除了其他物理过程干扰。
陈济雷表示，该工作不仅解决了长期未解决的暗磁子探测难题，还建立了一种利用磁子耦合作用探测不可见磁子的方法论。未来，随着界面处磁子杂化的调控能力进一步增强，有望开发出基于暗磁子的隐身信息通道或器件，或将为低功耗计算提供全新路径。
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