2025年2月18日，《Nano Letters》在线刊登了我院博士生侯金成在压控低功耗自旋波激发领域的最新研究成果“Excitation of Spin Waves by Oscillatory Voltage-Controlled Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in Ferroelectric/Skyrmion Heterostructure”。该研究基于铁电/铁磁异质结中的压控Dzyaloshinskii–Moriya（DMI）相互作用，提出了一种以斯格明子为激发源的自旋波发生器，为实现低功耗、高频率和高质量的自旋波逻辑与通信提供了新的解决方案。

自旋波是磁有序材料中磁矩的集体激发，具有高速、低能耗的信息传输和编码能力，在自旋电子学、微波通信和量子计算等领域展现出巨大的潜力。自旋波逻辑包括三个关键器件：自旋波发生器、自旋波波导和自旋波探测器。自旋波发生器是其中的核心部件，负责产生自旋波。

目前最主流的自旋波发生器是共面波导，即通过电流在磁性薄膜中产生交变的奥斯特场来激发自旋波。然而，这种共面波导结构复杂，且作为自旋波源的尺寸过大，难以应用于小尺寸集成电路中。除了共面波导，还可以通过自旋纳米振荡器来激发自旋波。自旋纳米振荡器具有小尺寸的优点，但和共面波导一样依赖于电流激发，因此功耗较大。此外，电流所产生的焦耳热会引入噪声，影响输出自旋波信号的质量。

图1 （a）自旋波发生器结构；（b）斯格明子；（c-e）斯格明子中DMI有效场和力矩的空间分布

为解决上述问题，研究团队提出了一种基于铁电/铁磁异质结的压控自旋波发生器。该发生器将铁磁层中的斯格明子作为自旋波激发源，在器件上下两端施加射频电压来调控DMI，从而激发自旋波。斯格明子是一种拓扑保护的磁性准粒子，其尺寸可以低至10 nm，并具有独特的拓扑特性。团队首先对斯格明子中的DMI有效场和力矩进行了分析，推导出它们的空间分布公式。理论分析表明，DMI力矩集中分布在斯格明子的半径附近。因此，当DMI系数变化时，斯格明子边界会作为激发源驱动畴结构移动，从而激发出自旋波。研究团队使用6 GHz和10 GHz两个频率激励斯格明子，分别得到了斯格明子的呼吸模式和自旋波模式。最后，通过微磁学模拟验证了该结构中自旋波激发的理论预测，得到了高质量的自旋波波形和幅频响应，激发频率可达30 GHz以上。

图2 斯格明子的呼吸模式（6 GHz）和自旋波模式（10 GHz）

该研究通过引入一种新的铁电/铁磁异质结，成功解决了当前自旋波激发中高能耗和集成困难的问题。这种新的自旋波发生器采用射频电压输入，能够避免焦耳热的产生，从而具有低功耗和高稳定性。展望未来，研究成果有望对下一代高频自旋电子器件的设计和优化中发挥关键作用。

图3 自旋波激发的波形和幅频响应

华中科技大学为论文第一完成单位，集成电路学院博士研究生侯金成为第一作者，深圳技术大学胡少杰副教授和我院游龙教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉强磁场学科交叉基金、深圳市自然科学基金、深圳虚拟大学园、武汉市自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。

论文链接：J. Hou, S. Hu, L. You. Excitation of Spin Waves by Oscillatory Voltage-Controlled Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in Ferroelectric/Skyrmion Heterostructure.