NUS & KAIST團隊揭示磁振子“反常壽命反轉(zhuǎn)”，托托科技Kerr顯微鏡助力自旋新發(fā)現(xiàn)

近日，新加坡國立大學(xué)電子與計算機工程系Hyunsoo Yang教授團隊聯(lián)合韓國科學(xué)技術(shù)院物理系Kyung-Jin Lee教授團隊，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得新進展，該研究成果以“Inversion of magnon lifetime of ferromagnetic and exchange resonance modes in ferrimagnets”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

該研究系統(tǒng)探索了亞鐵磁材料CoGd中兩種本征自旋共振模式——鐵磁共振（FMR）模式和交換共振（EXR）模式的磁振子壽命行為。實驗發(fā)現(xiàn)，在角動量補償點附近，高頻的交換共振模式反而展現(xiàn)出比低頻鐵磁共振模式更長的磁振子壽命，打破了“頻率越高、壽命越短”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

在這一突破性研究中，托托科技（TuoTuo Technology）的磁光克爾顯微鏡為磁性薄膜的磁滯回線表征提供了關(guān)鍵測量支持，為確定材料的磁化補償點與角動量補償點奠定了實驗基礎(chǔ)。

研究背景：高頻與長壽命的矛盾

在阻尼諧振子體系中，頻率與壽命通常呈反比關(guān)系。這一規(guī)律同樣適用于磁化振蕩體系：反鐵磁體雖具有更高的共振頻率，但其磁振子壽命遠(yuǎn)短于鐵磁體，限制了其在高速、低功耗自旋器件中的應(yīng)用。

亞鐵磁材料兼具鐵磁與反鐵磁特性，存在兩種本征共振模式：低頻的鐵磁共振模式（GHz量級）與高頻的交換共振模式（亞THz量級）。交換共振模式因頻率更高，理論上更適用于高速信息處理。然而，按照傳統(tǒng)認(rèn)知，其壽命應(yīng)遠(yuǎn)短于鐵磁共振模式，這成為制約其應(yīng)用的核心瓶頸。

技術(shù)創(chuàng)新：打破頻率-壽命反比關(guān)系

研究團隊以典型亞鐵磁材料CoGd為研究對象，通過調(diào)節(jié)組分與溫度，精確調(diào)控磁化補償點與角動量補償點。結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)磁光克爾（MOKE）磁滯回線和時間分辨磁光克爾效應(yīng)（TR-MOKE）光譜，同時探測交換共振與鐵磁共振兩種模式的動力學(xué)行為。

圖. 時間分辨磁光克爾效應(yīng)測量亞鐵磁磁振子動力學(xué)的實驗示意圖和實驗結(jié)果

通過溫度調(diào)控接近角動量補償點（225 K），研究人員觀察到關(guān)鍵現(xiàn)象：高頻交換共振模式的壽命逐漸增長，并最終超過低頻鐵磁共振模式，兩條壽命曲線發(fā)生交叉。

圖. 不同溫度下磁振子頻率與壽命的演化，在補償點附近顯示壽命反轉(zhuǎn)及阻尼機制

從物理機制上看，亞鐵磁具有不同阻尼常數(shù)的子晶格，且在不同模式中阻尼項的合成方式不同。在鐵磁共振模式中，阻尼效應(yīng)同向疊加，因此整體耗散增強，壽命縮短。而在交換共振模式中，由不同阻尼常數(shù)導(dǎo)致的阻尼貢獻會發(fā)生抵消，從而降低有效阻尼，最終導(dǎo)致壽命反轉(zhuǎn)。

該工作揭示了在單一材料體系中同時實現(xiàn)高頻與長壽命磁振子的全新機制，為突破傳統(tǒng)自旋動力學(xué)限制提供了重要思路。通過調(diào)控亞鐵磁補償點附近的動力學(xué)特性，有望為高速、低功耗自旋電子器件以及磁振子信息傳輸技術(shù)帶來新的發(fā)展路徑。

實驗驗證：托托科技Kerr顯微鏡的關(guān)鍵貢獻

為了準(zhǔn)確確定不同組分CoGd薄膜的磁化補償點與角動量補償點，研究團隊對多個樣品進行了磁滯回線表征。實驗采用托托科技的磁光克爾顯微鏡進行極向磁光克爾效應(yīng)（polar MOKE）測量，結(jié)合振動樣品磁強計（VSM）數(shù)據(jù)，成功提取了飽和磁化強度與矯頑力隨組分的變化曲線。

圖. CoGd亞鐵磁薄膜補償點附近的磁學(xué)性質(zhì)表：Ms，Hc，R_AHE

基于磁光克爾顯微鏡獲得的矯頑力峰值與磁化強度最小值，研究團隊精確鎖定了CoGd薄膜在室溫下的磁化補償點（組分Gd ~25%），角動量補償點（組分Gd ~23%）。這一部分?jǐn)?shù)據(jù)為后續(xù)TR-MOKE動力學(xué)測量提供了關(guān)鍵的前提條件。

托托科技磁光克爾顯微鏡：精準(zhǔn)表征磁性薄膜

托托科技的磁光克爾顯微鏡專為磁性薄膜與自旋電子學(xué)材料設(shè)計，具備以下核心優(yōu)勢：

設(shè)備搭載Digital Oblique®光學(xué)系統(tǒng)，傾斜角度的控制精度更可達到0.03°，無需手動調(diào)控，可完成全自動系統(tǒng)優(yōu)化，測量重復(fù)性?？商綔y低至2nm面內(nèi)薄膜信號和1個原子層厚度的垂直各向異性薄膜。另外，設(shè)備具備優(yōu)于0.5μm的顯微磁疇空間分辨率，能清晰分辨納米疇壁與磁疇陣列。

設(shè)備同時支持直流、脈沖、微波及光驅(qū)動等多激勵源，并能同步觀測磁疇動態(tài)，一站式實現(xiàn)電、磁、光信號的關(guān)聯(lián)采集與分析。

一項突破性成果的背后，離不開每一個關(guān)鍵實驗環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)支撐。
托托科技很榮幸能夠為本研究團隊提供高精度磁光克爾顯微鏡，助力其在自旋動力學(xué)前沿領(lǐng)域取得重要發(fā)現(xiàn)。

未來，托托科技將繼續(xù)深耕磁光表征技術(shù)，為自旋電子學(xué)、磁性材料、MEMS、量子器件等前沿領(lǐng)域的科研工作者提供可靠、精準(zhǔn)、高效的測量與制造平臺，助力更多“從0到1”的突破。

DOI: 10.1038/s41467-026-69453-6