[发明专利]非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用

说明书

一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用，属于新材料技术领域。所述非互易自旋波波导材料包括GGG单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石单晶薄膜和稀土薄膜，其中，所述稀土薄膜为Dy、Tm、Lu、Nd等。本发明YIG/稀土异质结薄膜相对于单一YIG薄膜，其上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著变化。另一方面，本发明自旋波波导材料的厚度与单层YIG薄膜相比，并未发生明显改变，仅在YIG表面覆盖一层纳米厚度的稀土薄膜，为非互易性自旋波波导材料的研究和制备提供了一种新方案，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着信息技术的高速发展，传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面临着严峻的瓶颈。自旋波(Spin Waves)是在磁有序材料中电子自旋进动的集体传播过程，具有无热耗散、非欧姆接触、极高工作频率范围、实现室温玻色-爱因斯坦凝聚、磁子超流等宏观量子效应等优点。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。自旋波的波导材料要求损耗低，即要求材料具有很低的阻尼因子，迄今阻尼最小的材料是单晶钇铁石榴石(YIG)材料，理论阻尼可低至10^-6。当采用微波天线激发自旋波在YIG中传播的时候，依据波矢k方向和面内磁场H方向的区别，可以分为两种不同类型的自旋波：(1)K⊥H，静磁表面波(Magnetostatic surface modes，MSSW)；(2)K∥H，后向体波(backward-volume magnetostatic waves，BVMSW)。对于静磁表面波来讲，为了获得自旋波传播的非互易性，通常需要改变YIG上下表面的自旋波传输“环境”。但是，很难改变单层YIG薄膜上下表面的自旋波传输“环境”，其自旋波传输的非互易性不明显，仅仅是幅度上的差别，自旋波模式的峰位未发生变化。面对自旋波波导、自旋波逻辑器件等新型器件的迫切需求，研发具有显著非互易自旋波传输特性波导材料十分重要。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种非互易自旋波波导材料，其特征在于，包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜和稀土薄膜(YIG/稀土异质结)，其中，所述稀土薄膜为Dy、Tm、Lu、Nd等。

进一步地，所述稀土薄膜的厚度为1nm～50nm；所述钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜的厚度为100nm～10μm。

进一步地，所述非互易自旋波波导材料是通过在钇铁石榴石(YIG)单晶基片表面生长纳米厚度的稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)薄膜，并在500～800℃下退火形成的。

进一步地，所述钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜采用液相外延或者真空气相沉积(激光脉冲沉积、磁控溅射)等方法生长于所述GGG(钆镓石榴石)单晶基片表面；所述稀土薄膜采用磁控溅射等方法生长于所述钇铁石榴石单晶薄膜表面。

上述非互易自旋波波导材料，通过自旋波共振技术激发和探测自旋波传输特性，获得自旋波在YIG/GGG界面和YIG/稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)中的非互易传输曲线，证实为一种新型非互易自旋波波导材料。

一种非互易自旋波波导材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、以Fe₂O₃和Y₂O₃为原料，采用液相外延法或真空气相沉积方法，在GGG(钆镓石榴石)单晶基片上生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，得到钇铁石榴石(YIG)单晶基片；