摘要磁子是载流子波量子化的准粒子。磁子具有在绝缘磁性材料中无热耗散、低减振、长距离传输载流子的优势，避开了因电荷流动而形成焦耳热，可以克服愈发明显的元件发热问题，因而磁子元件在低帧率信息储存与估算领域具有潜在应用前景。文章首先介绍了载流子波和磁子的概念，磁子具有的优势和研究价值；之后总结了磁子在铁磁和反铁磁绝缘体中输运以及新型磁子元件方面的最新研究结果；最后详尽介绍了温度下实现磁子扭矩驱动磁矩翻转的最新研究工作。这种工作对发展磁子学，实现低帧率、高速磁子型元件及应用具有较为重要的现实意义。
关键词载流子波，磁子，磁子力矩，磁子元件，信息储存与逻辑估算
1序言
1922年磁力矩的方向怎么判断，知名的施特恩—格拉赫实验表明电子不仅带一个负电荷还具有载流子这一量子属性。20世纪以来，人类不断探求对电子电荷的调控，使得微电子技术得到蓬勃发展，奠定了第三次产业革命的基础。遵照摩尔定理急速发展的现代电子元件越来越小，在规格上逐步迫近数学极限，芯片将面临高帧率、发热量大等挑战。借助电子的载流子属性，通过对载流子的调控，来实现信息的储存、输运、处理，有望突破常规微电子元件上述局限，因而对于载流子的操控是发展新型载流子电子元件的核心研究内容。
1988年巨磁内阻效应(GMR)的发觉[1，2]开启了人们广泛研制载流子电子材料和元件的时代，在短短不到六年后的1997年磁力矩的方向怎么判断，GMR材料早已即将代替初期的各向异性磁内阻材料用于磁储存工业上高密度磁硬碟(HDD)的磁读头，极大地推进了信息产业和技术的发展。GMR效应的发明人——法国科学家A.Fert和美国科学家P.Grünberg为此项科学发觉入选了2007年诺贝尔化学学奖。其后，1996年日本科学家J.C.和L.提出借助电压来操控载流子[3，4]，当载流子极化的电子与局域磁矩互相作用，就有可能形成载流子扭矩效应，进而改变局域磁矩方向，就犹如我们给一个物体施加一个线性的力，可以翻转这个物体一样。依据电子极化的化学机制不同，载流子扭矩效应可以分为载流子转移转矩(spin，STT)和载流子轨道扭力(spin-orbit，SOT)效应。1999年，E.Myers等人[5]首次实验实现了STT翻转Co薄膜磁矩，极大促进了借助电压操控载流子的研究和新型载流子元件的探求。当前，基于STT效应的磁随机储存器(STT-MRAM)早已量产并得到商业应用。2009年学术界开始采用SOT效应来设计SOT磁随机储存器(SOT-MRAM)、SOT载流子逻辑和SOT载流子纳米振荡器[6]，并从2011年开始实验上相继报导了借助SOT效应实现载流子操控和磁矩翻转[7—12]，其电子载流子极化化学机制可以是重金属载流子霍尔效应[7]或则界面效应[8]。由于基于SOT效应的载流子元件可突破STT元件在速率和寿命方面的数学限制，所以近年，研究人员对SOT的研究不断深入。提升自旋流形成效率，进而增加SOT元件驱动电压密度是实现上述目的的一个有效途径。因而科研人员广泛研究重金属之外其他新型强载流子轨道耦合材料中的SOT效应，例如拓扑绝缘体[13—17]、氧化物二维电子气[18]及外尔半金属[19]等。其实目前相对于重金属材料，SOT驱动磁矩翻转的电压密度显著增加，并且基于SOT效应的载流子调控手段依然须要联通电子参与，因而仍然存在电子运动和碰撞引起的焦耳热问题，造成元件高煤耗，同时也限制了载流子电子元件速率与集成密度的进一步提升。
这么，我们能够找到一种全新的操控载流子的方式，从根本上避开传统电子元件发热的问题呢？文章将回答这个问题并详尽介绍关于这个方面的一些最新研究进展。
2载流子波和磁子
早在1930年，知名化学学家布洛赫(FelixBloch，1952年诺贝尔化学学奖获得者)就提出了磁子的概念，拿来解释铁磁极自发磁化硬度随气温变化的重要规律。载流子波是磁性系统中载流子进动的集体迸发态(图1，右上角示意图)[20]，其量子化的准粒子称为磁子，每一个磁子携带一个普朗克常量()的载流子角动量，因而磁子也可以类似电子那样承载和传递载流子信息。载流子波和磁子的关系可类比于物质中晶格震动形成的声波和声子(准粒子)，也可以类比于光纤等光介质中传输的光波和光子。
有别于传统导电电子载流子，首先磁子(载流子波)传输载流子角动量不局限于电子导体，换句话说，对于一个磁性绝缘材料，电子难以穿过，并且磁子却可以通过交换耦合互相作用把载流子信息传递过去[20]。因为这个过程不须要导电电荷参与，可以防止电压形成的焦耳热问题，因而可以极大地减少载流子元件的帧率；同时，磁子可以低减振、长距离传播载流子信息，其传输距离可以达微米甚至毫米量级[21—24]，而导电电子载流子在铁磁薄膜中传输距离通常仅仅是2—3nm左右[25]；磁子的本征频度可以在GHz～THz波段[20]，远低于当前常规电子元件的GHz工作频度，有望实现快速的信息传输和运算元件[26]；磁子的波动属性同时具备振幅和相位两个特点[20，27]，基于载流子波的相干特点和非线性互相作用，可以形成新奇的化学现象和元件应用；据悉，磁子的量子特点也可以形成其他宏观量子现象，比如载流子超流体[22]和玻色—爱因斯坦汇聚[28]等。所以，对磁子迸发、传输、探测及怎样借助磁子建立新型元件等方面的研究正在成为载流子电子学领域的一个前沿研究方向，一个新兴学科—磁子学()应运而生(图1)[20]。
图1磁子学概念图。电压或则自旋流携带的数据信息转换成磁子流，之后在磁子元件或系统内部储存、运算；其实也可以实现磁子流转换成电压和自旋流的逆过程[20]
3磁子输运
目前，磁子的输运研究主要基于铁磁绝缘体和反铁磁绝缘体两大材料体系。在2010年，美国学者Y.等人[21]在铁磁绝缘体(YIG)单晶硅块材中成功迸发了磁子，但是研究发觉温度下磁子可以实现长距离的载流子信息传输，该研究掀起了绝缘磁性材料中磁子输运的研究风潮。2012年，S.S.L.Zhang等人[29]在重金属/磁性绝缘体/重金属披萨结构中预言了热磁子辅助的电压拖放效应。通过一着重金属中的电荷流及其载流子霍尔效应可以形成垂直薄膜输运的自旋流。当自旋流极化方向与磁性绝缘体磁矩方向平行或反平行时，自旋流可转化成磁子流、并经由磁性绝缘体传导出去，之后在第二层重金属与磁性绝缘体界面发生磁子流到自旋流转化的逆过程，最终在第二层重金属中转化而至的自旋流通过逆载流子霍尔效应形成电流讯号。这就是理论预测的磁子中介电荷拖放(-drag)效应。随即L.J.等人[30]在Pt/YIG/Pt平面结构中、H.Wu等人[31]和J.X.Li等人[32]在Pt/YIG/Pt垂直结构中分别在实验上证明了磁子中介电压拖放效应的存在。该效应的理论预测和此后的实验观测证明了通过载流子霍尔效应激励和侦测热磁子流的可行性以及磁子流到电子自旋流互相转化的有效性，为开发基于热磁子的磁子元件提供了理论和实验基础。
因为反铁磁绝缘体具有两套磁条纹m1和m2，相比铁磁材料表现出愈发丰富的载流子动力学和磁子输运过程[33]，同时反铁磁材料具有抗外磁场干扰、无杂散磁场、本征频度高(THz)等特征[33，34]，反铁磁绝缘体中磁子输运成为当前磁子研究的一个重要方向[33]。2014年，H.Wang等人在YIG/NiO(111)/Pt复合多层膜结构中发觉温度下多晶NiO薄膜中磁子的最长传输距离小于100nm[35]，该工作迸发了国际上对多种反铁磁绝缘体中磁子输运的研究，目前研究人员在NiO薄膜、CoO薄膜、Cr2O3薄膜和α-Fe2O3单晶硅中都侦测到高效的磁子输运特点[23，36—38]。2018年，加拿大和澳大利亚的研究人员在反铁磁绝缘体Cr2O3薄膜[37]和α-Fe2O3单晶硅[23]中分别发觉当反铁磁绝缘体的奈尔矢量与注入载流子方向共线可以获得最有效的磁子输运，当二者互相垂直时，则几乎观测不到磁子输运(图2)。
图2磁子在反铁磁绝缘体(a，b)α-Fe2O3单晶硅[23]和(c，d)Cr2O3薄膜[37]中传输特点
同年，我国学者韩伟和谢心澄院士组成的研究团队首次在反铁磁绝缘体Cr2O3中观测到磁子载流子超流现象(图3)[22]，这为研究玻色—爱因斯坦汇聚提供了平台，为新型量子估算研究奠定了一定的实验基础。
图3载流子超流的重要实验证据[22](a)非局域载流子输运检测示意图；(b)不同水温下非局域载流子输运讯号；(c)非局域载流子输运讯号与输运距离的关系，与载流子超紊流输运理论预言一致。
非常是2018年，我国学者韩秀峰研究员团队采用磁性绝缘体/间隔层/磁性绝缘体(MI//MI)作为核心层的磁异质结构，率先在国际上设计和实验实现了YIG/Au/YIG新型磁子阀[39—41](图4(a))和全电绝缘的YIG/NiO/YIG磁子结两类元件[42，43](图5)。通过人工调控的热梯度形成磁子流，并通过外磁场驱动使元件中两层YIG的磁矩产生平行或反平行态，实现了对磁子输运的有效调控(图4)。并且该团队C.Y.Guo等人[42]研发出的YIG/NiO/YIG磁子结元件，其披萨结构核心区只容许磁子流的存在和传输而不支持电子自旋流的输运，因而是一种纯粹的磁子型核心元元件，初步实现了纯磁子流的形成、注入和有效调控。上述元件也是磁子晶体管的一种基本构架[39，42，44—46]，为今后磁子型电路甚至磁子型芯片的出现奠定了元元件和数学基础。
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图4磁子阀效应[39](a)磁子阀元件结构示意图；磁子阀比值随(b)中间Au层宽度和(c)体温的依赖关系
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图5全绝缘磁子结[42](a)GGG//YIG(100nm)/NiO(15nm)/YIG(60nm)磁子结的微观结构和元件TEM截面图；(b)磁子结的载流子塞贝克讯号检测示意图
4磁子力矩驱动磁矩翻转
实际载流子电子芯片一般须要通过磁矩的翻转来实现“0”和“1”信息储存和逻辑运算，能够借助磁子驱动磁性层翻转是实现低帧率、高速率磁子元件的关键前提之一。当磁子把载流子角动量传递给局域磁矩，磁子与局域磁矩互相作用会形成磁子力矩作用，改变局域磁矩取向。图6(a)展示了磁子传输及磁子力矩驱动磁矩翻转[38]，这不同于传统导电电子载流子力矩驱动磁矩翻转(图6(b))[7—9]。
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图6两种类型的载流子力矩[38](a)磁子流及磁子力矩翻转磁矩；(b)导电电子自旋流及导电电子载流子力矩翻转磁矩
目前，大部份磁子相关实验研究集中在铁磁绝缘体或则反铁磁绝缘体中磁长武距离传输特点[21—23，30]。科学家理论预言磁子力矩效应可以驱动磁畴[47—50]，然而实验上仅有少数磁子迸发磁扰动或则载流子塞贝克效应形成的磁子驱动磁畴运动的报导[51—53]，至今仍未实现磁子力矩效应完全翻转元件磁性层磁矩。因此，我们设计了基于拓扑绝缘体/反铁磁绝缘体/铁磁薄膜(/NiO/(Py)和/NiO/)异质结元件，在温度下实现了磁子力矩效应驱动和Py铁磁薄膜磁矩能发生180°翻转[38]。
首先，借助载流子力矩铁磁共振(ST-FMR)技术[13—15，54，55]检测并确定该体系的磁子力矩硬度(图7(a))，通过对ST-FMR检测讯号(图7(b))剖析，可以获得对应体系的磁子力矩效率(硬度)。在该元件中，拓扑绝缘体作为高质量载流子形成源，在/NiO界面迸发出更多的磁子，反铁磁绝缘体NiO作为磁子高效传输通道。研究表明，当NiO层宽度为25nm附近时，磁子力矩效率最大，达到~0.3，这个数值可比拟拓扑绝缘体中导电电子载流子力矩效率[13，15，56]。
图7载流子力矩铁磁共振(ST-FMR)技术检测磁子力矩[38](a)ST-FMR检测示意图；(b)一个典型ST-FMR检测曲线及拟合；(c)分别借助ST-FMR，THz发射谱检测技术获得的温度下载流子力矩效率随反铁磁绝缘体NiO长度的变化关系；(d)/NiO(tNiO=2,5和25nm)/Py(6nm)元件中不同水温下磁子力矩
当没有NiO薄膜层时，/Py元件中导电电子载流子力矩效率为0.67，与之前报导一致[15]。随着NiO层宽度降低，载流子力矩效率快速增长到最小值，但当NiO长度继续降低，载流子力矩效率开始降低，最终出现峰值(tNiO~25nm)，而后开始逐步减少(图7(c)，实心圆)。较厚的NiO薄膜，彰显绝缘特点，磁子将是载流子传输的载体，所以该实验结果表明检测得到的载流子扭矩其本质应当是起源于磁子。上述实验结果又通过独立的THz发射谱检测[57，58]得到进一步确认(图7(c)，空心圆)，该技术表征的是异质结中载流子到电荷的转换过程，相当于ST-FMR检测的逆过程。再度，通过变温ST-FMR检测具有三种不同NiO长度(tNiO=2，5和25nm)的元件，发觉载流子力矩硬度都在某一个特定气温出现提高现象(图7(d))，但是这个特定气温与NiO磁转变体温接近，该现象与之前报导的磁子传输研究结果一致[36，59—61]。据悉，当在层和NiO层之间插入一个长度为6nm的MgO非磁绝缘层，几乎观察不到磁子力矩，这是因为MgO插层制约了NiO中磁子迸发，因而侦测不到磁子力矩效应(图7(c)，星号)。综上，通过4个不同的对比实验，充分证明了磁子力矩效应的贡献及其可重复性。
基于磁子力矩效应，我们设计并制备如图8(a，b)所示的磁子元件，同时防止了Py层中的分流不利影响，最终实现了温度下磁子力矩驱动Py薄膜磁矩翻转(图8(c—n))[38]。首先当向/NiO(25nm)/Py元件通入正向脉冲电压后，借助磁光克尔显微镜只能观察到Py磁性单元的磁矩由向下翻转到向上(图8(c，d))，中间白色方框区域白色变为红色)，当通入反向电压后，Py的磁矩又可以恢复到初始状态(图8(e，f))，Py单元磁矩的翻转与电压极性的关系排除了热效应的贡献。并且，也成功实现了温度下磁子扭矩翻转磁矩[38]，这些材料在磁随机储存器中广泛使用。但是在同样的实验条件下，虽然通入更大的电压，也未能在/NiO(5nm)/Py元件中实现磁子力矩翻转Py磁矩(图8(g—j))，这是因为当NiO为5nm的时侯，磁子力矩效应比较小，不足以翻转Py磁矩，该对比实验排除了奥斯特磁场造成Py磁矩翻转的缘由。据悉，在/NiO(25nm)/Cu(6nm)/Py元件中同样还能观察到Py磁矩翻转(图8(k—n))，该结果表明，尽管Cu层打破了NiO和Py界面处的直接交换耦合互相作用，并且一直可以通过磁子流—电子自旋流转换来实现载流子角动量传输和载流子力矩效应，这可以极大丰富未来磁子元件的结构设计。图8中的实验都已被多次重复。
图8温度下/NiO/Py异质结元件中磁子力矩驱动磁矩翻转[38](a)磁子力矩元件示意图；(b)磁子力矩元件光学相片；(c—f)/NiO(25nm)/Py元件中磁子力矩驱动磁矩翻转磁光克尔显微镜相片；(g—j)/NiO(5nm)/Py元件中磁子力矩驱动磁矩翻转磁光克尔显微镜相片；(k—n)/NiO(25nm)/Cu(6nm)/Py元件中磁子力矩驱动磁矩翻转磁光克尔显微镜相片
5结束语
磁子力矩可以拿来翻转磁性单元，实现低帧率信息储存和逻辑运算功能。通过对材料和元件的进一步优化，磁子力矩效率有望得到大幅度提高，在上述磁子力矩驱动磁矩翻转原理性实验中，是通过热学方式迸发反铁磁绝缘体磁子流，希望该工作才能迸发全磁子力矩元件的研究。其实要实现上述目标，依然有好多问题须要我们去阐述和解决，例如，怎么获得大的磁子力矩硬度，深入揭示磁子迸发、输运以及界面等化学特点；据悉，设计新型磁子力矩元件，开发新功能也是十分值得探求的一个研究方向。其实，对磁子的研究方兴未艾，磁子学为我们开辟了实现低帧率、高速率信息储存和逻辑运算元件的新途径，磁子型元件必定在未来新型载流子芯片中发挥重要作用。