今天我要跟大家聊聊一篇很有意思的論文，它的題目是《觀察和控制混合自旋波-邁斯納電流傳輸模式》。這篇論文的作者是來自荷蘭代爾夫特理工大學的一些物理學家，他們利用超導體的磁屏蔽效應來操縱自旋波在薄膜磁體中的傳輸，并用金剛石中的氮空位(NV)自旋來實現磁場的高分辨成像。他們觀察到了自旋波與超導體中的邁斯納電流形成的混合傳輸模式，并用激光實現了對自旋波折射的局部控制。這些結果展示了超導體在調控自旋波傳輸方面的巨大潛力，也為自旋波的應用開辟了新的可能性。

什么是自旋波

自旋波是一種在磁性材料中存在的集體激發，它是由磁矩的微小偏離平衡方向而產生的。你可以把磁矩想象成一個小小的指南針，它會受到周圍的磁場和其他磁矩的影響而改變方向。當一個磁矩偏離平衡時，它會對周圍的磁矩產生一個擾動，這個擾動會像波一樣傳播，這就是自旋波。自旋波的波長可以從納米到微米的范圍，它的頻率可以從幾赫茲到幾十吉赫茲的范圍。自旋波的傳播速度和方向取決于磁場的大小和方向，以及磁性材料的性質。

自旋波有什么用呢？自旋波可以攜帶磁性材料中的自旋信息，也就是說，它可以在不需要電流的情況下傳輸信息。這樣就可以避免電流帶來的能量損耗和熱效應，提高信息處理的效率和速度。自旋波還可以實現非常復雜的功能，比如非互易性、非線性性、干涉、衍射、折射等，這些都是基于電荷的電子器件難以實現的。因此，自旋波被認為是一種非常有前途的信號載體，可以用來構建新型的磁性邏輯、存儲、通信和計算設備。

什么是超導體

超導體是一種在低溫下具有零電阻和強烈抗磁性的材料。零電阻意味著電流可以在超導體中無損耗地流動，強烈抗磁性意味著超導體可以排斥外部磁場，這就是邁斯納效應。超導體的這些性質使得它們在電力、傳感、成像、量子信息等領域有著廣泛的應用。

超導體是如何實現零電阻和抗磁性的呢？這涉及到一種叫做庫珀對的粒子，它是由兩個相反自旋的電子通過交換聲子而形成的一種束縛態。庫珀對的總自旋為零，因此它不受外部磁場的影響，也不會產生磁場。庫珀對的總動量也為零，因此它不會與晶格發生碰撞，也不會產生電阻。當超導體的溫度低于一個臨界值時，電子會形成庫珀對，并通過一種叫做玻色-愛因斯坦凝聚的過程而占據同一個量子態。這樣，超導體中的所有庫珀對就像一個巨大的量子波函數，可以無阻礙地流動，實現超導現象。

如何利用超導體操縱自旋波

超導體的抗磁性可以用來改變自旋波在磁性材料中的傳輸特性。當超導體與磁性材料接觸時，超導體中的邁斯納電流會在界面處產生一個反向的磁場，從而抵消磁性材料的磁場。這樣，超導體就相當于一個磁屏蔽，可以阻擋或反射自旋波。當超導體的溫度升高時，邁斯納電流會減弱，磁屏蔽效應也會減弱，自旋波就可以部分地穿透超導體。這樣，超導體的溫度就可以用來調節自旋波的傳輸。

論文的作者利用了這一原理，制備了一個由超導體鈮（Nb）和磁性鐵氧體（YIG）組成的雙層薄膜結構。他們在YIG表面刻畫出不同形狀的Nb圖案，然后用一個微波天線在YIG中激發自旋波，并用一個金剛石探針在YIG上方掃描，利用NV自旋的磁共振信號來測量自旋波的磁場分布。他們發現，當Nb處于超導態時，自旋波的波長會明顯縮短，這是因為Nb的磁屏蔽效應增強了YIG的等效磁場，從而提高了自旋波的頻率。當Nb處于正常態時，自旋波的波長會恢復到原來的值，這是因為Nb的磁屏蔽效應消失了，YIG的等效磁場恢復到原來的值，從而降低了自旋波的頻率。

他們還發現，當Nb的形狀為圓形或方形時，自旋波會在Nb的邊緣發生反射，形成一個駐波模式，。當Nb的形狀為三角形時，自旋波會在Nb的頂點發生折射，形成一個散射模式。

利用激光控制自旋波

除了利用超導體的溫度來調節自旋波的傳輸外，論文的作者還利用了激光的熱效應來實現對自旋波的局部控制。他們用一個聚焦的激光束照射在YIG表面的某一點，使得該點的溫度升高，從而改變了該點的磁場和自旋波的頻率。這樣，激光就相當于一個可移動的磁障礙，可以對自旋波產生折射或反射的效果。他們發現，當激光的功率足夠大時，自旋波會在激光的邊緣發生全反射，形成一個自旋波的導波管。當激光的功率較小時，自旋波會在激光的邊緣發生部分折射，形成一個自旋波的透鏡。