近期，物理学院杨德政和薛德胜教授团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《重金属-铁磁体双层膜中的逆声学自旋霍尔效应》的研究论文。该工作首次在实验上实现了自旋流激发晶格振动并产生可传播表面声波，揭示了一种全新的自旋声子倒易耦合机制。论文同时入选PRL编辑推荐（Editors' Suggestion）与物理学焦点（Featured in Physics）。PRL编辑评价认为：“该研究首次成功演示了将自旋信号转换为声学信号（即声子）的过程，这一突破有望催生通过声波传输自旋信息的新型自旋电子技术”。伦敦知名科普作家Philip Ball在PRL官网Physics Focus专栏以“Converting Spin Waves to Vibrational Waves”为题作了专题报道。

近年来，声学与自旋电子学的交叉研究迅速发展。研究表明，表面声波驱动的晶格振动可在具有强自旋轨道耦合的重金属/铁磁双层膜中产生自旋流，即声学自旋霍尔效应（图1(a)）。在本工作中，薛德胜教授团队从倒易性原理出发，提出并实验验证了逆声学自旋霍尔效应（图1(b)）。研究通过在重金属铁磁体双层结构中利用界面自旋回流注入交流自旋流，在铌酸锂衬底上成功探测到由此激发的非局域表面声波，其传播距离可达 400 μm。器件结构如图1(c)所示，中间为铁磁/重金属并联长条，两侧分别设有116 MHz与232 MHz的叉指换能器。实验表明，在116 MHz微波激励下，相邻长条激发的声波相位相反，导致声信号发生周期性相干相消（图1(d)-(e)）；而在232 MHz激励下，相邻长条激发的声波相位相同，实现周期性相干相长（图1(d)-(e)）。该行为与实验测得的声传输结果高度吻合（图1(f)-(g)）。此外，声信号随磁化方向变化的角度依赖关系与理论模型完全一致，从而明确证实了逆声学自旋霍尔效应的存在。与电子（仅能在导体中输运）和磁子（局限于磁性材料）不同，声子可在包括非磁性材料甚至绝缘体在内的任意材料中传播，并携带自旋信息，从而极大拓展了自旋电子学的材料体系与应用边界。本研究不仅完善了自旋声子相互转换的理论框架，也为在非磁性绝缘体中实现长程自旋传输开辟了全新途径。

图1 强自旋轨道耦合材料中(a)声自旋霍尔效应，(b)逆声自旋霍尔效应示意图，(c) Ta/FeNi并联长条（strip）用于激励，IDT1和IDT2用于检测SAW器件的光学图片，(d)、(e)并联长条的声波叠加示意图，(d)116 MHz时的相消干涉， (e) 232 MHz时的相长干涉，(f)、(g)从并联长条到(f) IDT1和(g) IDT2的传输参数的角度依赖性。

该工作由兰州大学曹洋青年研究员和李通博士为共同第一作者，杨德政和薛德胜教授为共同通讯作者。该工作是在席力教授、崔宝山青年研究员、北京航空航天大学雷娜教授，中国科学院半导体研究所魏大海研究员，华中科技大学于涛教授以及日本东京大学廖立杨博士、Yoshichika Otani教授大力支持下完成的。该工作获得国家自然科学基金（Grants No. 12474116, No. 12504135）、国家重点研发计划、111引智计划及中国博士后科学基金特别资助等项目的支持。

论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s9l2-m9tt

PRL官网的Physics Focus专栏原链接：https://physics.aps.org/articles/v18/198