铁磁和交换共振模的磁振子寿命反转在铁磁性材料中的表现

为何微小的磁波可能重塑未来电子学

当今的数据中心、手机和传感器在搬运电荷时消耗大量能量。物理学家正在探索一种替代方案：利用被称为自旋波或磁振子的磁性波纹来传递信息，从而大幅减少热耗。该研究揭示了一种令人意外的方式，使一种特殊磁性材料中的特定磁振子既非常快速又异常长寿，这种组合有望实现运行在超出现今主流电子学频率的快速、节能器件。

一种材料中的两种磁性运动

铁磁性材料由两套彼此交错的原子子晶格构成，它们的微小磁矩大多指向相反方向。由于这两套子晶格并不对称，材料既表现出部分像普通铁磁体，又部分像反铁磁体的特性。因此，它支持两种不同的集体运动。一种是铁磁共振模，是所有磁矩一起相对缓慢且温和的进动，频率与无线通信中使用的频段相近。另一种是交换共振模，是一种更快、耦合更紧密的振荡，两个子晶格主要相向运动，频率可进入亚太赫兹范围，远高于普通的射频和微波波段。

挑战速度与寿命之间的常见权衡

在大多数物理系统中，振荡越快衰减得越快：更高频通常意味着更短寿命。同样的预期也适用于磁振子，即推动频率上升的强内部力往往会使运动更脆弱。作者在钴—钆合金（CoGd）薄膜这一被广泛研究的铁磁体中检验了这一假设。通过精细调节温度或化学成分，他们可以调节钴和钆子晶格之间的角动量平衡。在被称为角动量补偿点的特殊条件下，两子晶格的贡献以一种精确的方式相互抵消，从而强烈影响磁系统对扰动的响应。

实时观测超快的磁性波纹

为探测这些波纹，研究团队使用时间分辨磁光克尔效应光谱学，这项技术通过跟踪反射激光光极化方向的微小旋转来监测薄膜内磁化的摆动。一束超短“泵浦”脉冲短暂加热并扰动磁体，激发出慢模和快模；延迟的“探测”脉冲以皮秒时间分辨率读出由此产生的运动。通过在改变延迟的情况下重复测量，研究者得以在时间上重建振荡，并从振荡的衰减中提取每种模式在广泛温度范围及不同合金配比下的频率与寿命。

比慢模式寿命更长的快模式

测量结果确认了缓慢的吉赫兹级铁磁模式与约110吉赫兹的快交换模式之间的显著频率差距。在远离补偿点时，常规规则成立：高频的交换模比低频的铁磁模衰减得更快。但在接近角动量补偿点时，这一趋势发生了翻转。交换模突然获得了比铁磁模更长的寿命，尽管它的振荡频率仍几乎高一个数量级。当作者计算一种有效阻尼——衡量能量损失速度的量——时发现，在这一特殊条件下，交换模的阻尼被最小化，同时这也与估算出的磁畴壁速度峰值相吻合，磁畴壁是磁区域之间的边界。

子晶格间不均等摩擦如何翻转寿命

为理解这一反直觉现象，研究者建立了将两子晶格及其耦合运动显式处理的理论描述。在该图景中，每个子晶格承受各自的磁性“摩擦”或阻尼，而且两者不相等。理论表明，当这种不平衡很强时，会出现一个额外的力矩项，对两种模式产生不同的作用。对于缓慢的铁磁模，这个额外力矩强化了普通阻尼，使运动更快衰减。对于快速的交换模，同一项部分抵消了阻尼，实际上起到类似反摩擦的作用，使振荡得以持续。基于该模型的数值模拟再现了在角动量补偿附近两种模式寿命交叉的观察结果。

为更快、更低温升的磁性技术开辟道路

这项工作的核心信息是：通过工程化铁磁体中不同部分的微观阻尼，可以创造出既非常快速又异常长寿的磁性波。在CoGd中，这一“甜点”出现在角动量补偿点附近，此处高频的交换模成为输送磁能与信息最稳健的载体。这样的速度与稳定性的组合使这些模式成为下一代自旋电子器件的有前景构建块，包括紧凑的振荡器和工作在深度亚太赫兹频段的信号处理电路，其能量损耗远低于传统的基于电荷的电子器件。

引用: Xu, C., Kim, SJ., Zhao, S. et al. Inversion of magnon lifetime of ferromagnetic and exchange resonance modes in ferrimagnets. Nat Commun 17, 2630 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69453-6

关键词: 铁磁化, 自旋电子学, 磁振子, 超快磁学, 太赫兹器件