浙江大学袁怀洋课题组在自旋电子学与等离激元光子学的交叉领域取得重要进展

图1. (a) 介电质/二维材料/铁磁层的异质结示意图。铁磁层表面自旋波的激发诱导出二维材料中横电模式的表面等离激元。(b)自旋波和表面等离激元联合激发的色散关系。

具体来说，课题组首先考察了介电质、二维材料、铁磁层的异质结结构，如图1a所示；这个系统的本征模式对应着从二维层开始向两侧同时衰减的电磁波模式。在介电质中，电磁波的传输满足麦克斯韦方程，可以据此求得其中的电磁波模式分布；在铁磁层，自旋的运动首先要满足朗道利夫希兹吉尔伯特方程，其次自旋运动辐射出来的电磁波要满足麦克斯韦方程，据此可以解析求得磁层内部的电场和磁场。二维体系中等离激元的激发会产生一个表面电流，连接介电层和铁磁层。通过匹配界面上的电场和磁场的连续性条件，课题组求得了自旋波和表面等离激元的复合模式的色散关系，从而确定了横电模式表面等离激元的存在性，如图1b所示。如果这里的衬底（Medium 2）是通常的介电层，由于二维体系如石墨烯在太赫兹和吉赫兹区间电导率的限制，在界面上无法激发出横电模式的表面等离激元。物理上来说，由于铁磁体里自旋波呈现圆偏振特性，自旋的进动以及由此引起的辐射电磁波的磁场可以分解为两个垂直方向进动的叠加；为了在界面上匹配磁场的连续性条件，这里就要求界面上表面等离激元对应的电磁场也具有两个相应的磁场分量，即对应横电模式的等离激元激发。

图2. (a)探测表面等离激元和自旋波激发的思路示意图。入射电磁波在介电层里产生的衰逝波在二维材料和磁层薄膜的界面诱导产生表面等离激元和自旋波。(b)入射电磁波在异质结界面的反射率随着频率的变化关系。表面等离激元和自旋波的联合激发会带走部分电磁能量，从而在系统反射谱上呈现深谷结构。

在证实了自旋波可以诱导产生横电模式的等离激元后，进一步的问题是如何在实验上探测这个激发模式。课题组的想法是，可以往异质结构的表面入射一个电磁波，当入射角大于临界值时，入射电磁波会在介电质层里引起衰逝波；衰逝波传播到二维材料和磁层的界面诱导产生表面等离激元；由于等离激元的激发带走了部分电磁能量，从而入射电磁波的反射率会下降。为了验证这个想法，课题组考察了图2a所示的介电质、二维材料和铁磁层的复合结构中电磁波的传输行为，其中在介电质之间（Medium 3-4）的界面以及铁磁和介电质（Medium 3-2）界面，系统的磁场和电场的切向分量都应保持连续，由此，可以推导出系统对电磁波的反射率，即反射电场与入射电场的比值。如图2b所示，反射率在等离激元激发的共振频率附近呈现出一个深谷结构；作为比较，衬底为非磁介电质时，系统的反射谱相对平滑。这个具有深谷特征的反射谱结构为实验上探测等离激元的激发提供了理论依据。

课题组提出的方案具有一般性，不仅适用于铁磁系统，同样能推广到反铁磁系统。与铁磁系统不同的是，在零磁场下，反铁磁表面同时存在着向左和向右两个方向的表面波模式，这两个模式的能量简并；外磁场的出现会使得这两个表面波的能量去兼并，其中一支能量变高，另一支能量变低。当电磁波正向入射到介电质、二维材料和反铁磁的异质结上时，会激发出正向传输的自旋波，并诱导出正向传播的表面等离激元。当电磁波反向入射时，低频的自旋波和电磁波会被相应激发。由于正向和反向自旋波的频率不同，这里我们可以适当选择入射波的频率和方向，实现表面等离激元的非互易传输；这为设计新型的自旋电子学和光子学器件提供了理论指导。

值得一提的是，在同期的Physical Review Letters上，袁怀洋老师与荷兰乌特勒支大学合作者还发表了环境诱导产生自旋惯性的理论成果，该成果提出了环境里的高频模式可以在物理系统中诱导出惯性效应的普适理论，因其简洁而优美的物理入选当期的编辑推荐（Editors’ suggestion），袁怀洋老师和Tim Ludwig博士为该文章的共同通讯作者。

最后，袁怀洋课题组致力于探索磁学和自旋电子学领域的新现象和新物理，长期招聘博士、博后、访问学者，欢迎有兴趣的同学和老师联系(hyyuan@zju.edu.cn)。

论文信息：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.156703

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136701

--课题组供稿

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