自旋電子學(xué)是一門利用電子自旋及其電荷的電子學(xué)分支，已成為下一代設(shè)備的有前途技術(shù)。自旋電子學(xué)的一個關(guān)鍵方面是操縱和傳輸角動量，角動量是表征物體的轉(zhuǎn)動慣性和旋轉(zhuǎn)的基本物理量。

在鐵磁材料中，角動量不僅與材料的宏觀旋轉(zhuǎn)有關(guān)，還與電子的微觀自旋和軌道運動有關(guān)。電子自旋的集體對齊在鐵磁材料中產(chǎn)生了凈磁矩，這是材料磁性質(zhì)的基礎(chǔ)。

最近發(fā)表在《物理評論快報》的研究揭示了一種突破性的現(xiàn)象：電場誘導(dǎo)分離鐵磁體之間的角動量流。該現(xiàn)象的本質(zhì)在于磁性材料中電子、磁振子和聲子之間復(fù)雜的相互作用。

電子具有固有的自旋角動量，類似于一個微小的旋轉(zhuǎn)球體。另一方面，磁振子是代表鐵磁體中電子自旋集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子。聲子是量化的晶格振動。在鐵磁體中，這些實體相互作用，使得角動量能夠在它們之間傳遞。

電場誘導(dǎo)這種傳遞的關(guān)鍵在于一個稱為自旋到電荷電流轉(zhuǎn)換的過程。通過向鐵磁體施加電流，我們可以操縱電子的自旋方向。這種操縱反過來又可以通過電子-磁振子耦合激發(fā)磁振子，然后這些激發(fā)的磁振子然后攜帶角動量跨越一定距離到另一個鐵磁體。通過稱為自旋-電荷電流轉(zhuǎn)換的過程，角動量被轉(zhuǎn)移回第二磁體中的電子，導(dǎo)致凈角動量流。

這個開創(chuàng)性實驗證明了這種現(xiàn)象跨越微米距離。他們利用了兩個平行的鐵磁條，由非磁性（抗磁性）襯底隔開。通過對一個條帶進(jìn)行電刺激，他們觀察到可測量的角動量傳遞到另一個條帶。在第二條鐵磁體中，磁振子可以與電子相互作用，導(dǎo)致其中一些電子的自旋翻轉(zhuǎn)。這種對第二條磁體中電子自旋的操縱導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化可以測量，這種變化作為傳遞的角動量的標(biāo)志。

這一成就突顯了使用電流遠(yuǎn)程操縱角動量的潛力，這一發(fā)現(xiàn)對自旋電子學(xué)具有重大意義。傳統(tǒng)上，自旋電流主要由電荷載體本身介導(dǎo)得。然而，新的方法為操縱自旋和角動量提供了替代途徑，有可能導(dǎo)致更有效和多功能的器件。以下是一些潛在的應(yīng)用：

• 自旋軌道扭矩器件：這些器件利用自旋電流對磁體施加扭矩，實現(xiàn)磁化開關(guān)。電場誘導(dǎo)的角動量流可能導(dǎo)致更高效和可控的自旋軌道扭矩器件。

• 磁邏輯器件：磁振子具有波的性質(zhì)，可用于邏輯運算。電控磁振子流的能力可能為新穎的磁邏輯電路鋪平道路。

• 基于自旋的信息處理：角動量的操縱為在自旋電子器件中編碼和處理信息提供了新的途徑。

然而，仍然存在重大挑戰(zhàn)。一個關(guān)鍵問題是理解角動量是如何跨越距離傳遞的。研究表明，聲子和偶極相互作用可能起作用，但需要進(jìn)一步研究才能完整了解。此外，優(yōu)化此過程的效率和可控性對于實際應(yīng)用至關(guān)重要。

總而言之，電場誘導(dǎo)分離鐵磁體之間的角動量傳遞代表了自旋電子學(xué)中的重大突破。這一發(fā)現(xiàn)為操縱自旋和開發(fā)新穎自旋電子器件開辟了令人興奮的可能性。雖然仍然存在挑戰(zhàn)，但持續(xù)的研究有望利用這種現(xiàn)象創(chuàng)造下一代基于自旋的技術(shù)。