北京师范大学，Nature Materials！

研究背景

磁振子（magnon）是自旋波的量子化形式，因其能够在不携带电荷且不伴随焦耳热耗散的情况下传播，被广泛应用于量子计算、逻辑电路和信息传输等领域。与传统的电子载流子相比，磁振子具备长距离传播、低能耗和无热耗散等优势。然而，在室温下实现长距离传播的磁振子边缘态仍然存在材料阻尼高、自旋波通道难以优化等问题，给集成化磁振器器件的研发带来了巨大挑战。

成果简介

为了解决这一问题，北京师范大学张金星教授团队、沈卡、北京航空航天大学于海明教授等人携手在Nature Materials期刊上发表了题为“Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states”的最新论文。该团队通过原子级的晶格应变设计，制备了锰酸盐薄膜，成功实现了长距离传播的手性磁振子边缘态。这种薄膜具有毫米级长度的反铁磁耦合自旋螺旋结构以及低磁性吉尔伯特阻尼（约3.04 × 10⁻⁴）。

研究人员利用动态偶极相互作用，揭示了手性磁振子边缘态的形成及其与螺旋纹理中磁振子的强耦合机制。他们观察到一种具有稳健手性的混杂磁振子，这种状态可以通过外加磁场的不同阈值角度可逆地开关。

研究亮点

1. 实验首次在锰酸盐薄膜中实现了手性磁振子边缘态的长距离传播，得到了毫米级长度的反铁磁耦合自旋螺旋结构和低磁性吉尔伯特阻尼（约3.04 × 10⁻⁴）的材料体系。这一成果为室温条件下集成磁振器器件的开发提供了可能性。

2. 实验通过观察非互易性自旋波传播，揭示了动态偶极相互作用在手性磁振子边缘态产生与混杂过程中的关键作用。研究发现，该手性边缘态的传播具有类似Damon–Eshbach模态的手性特性，并且高度局域化，可以沿纳米通道边缘传播超过百微米。

3. 实验通过分析螺旋纹理中的强磁振子耦合，发现了混杂磁振子在外场作用下的可逆和选择性开关行为。这些磁振子能够在不同阈值角度下稳定存在，其手性传播特性显示出极大的调控潜力。

4. 实验利用外延应变技术精确设计了晶格参数，同时实现了磁性阻尼的降低和长自旋波纳米通道的构建。研究表明，强关联氧化物的自旋纹理和阻尼特性可以通过材料的电子能带与自旋结构协同设计进行有效调控。

图文解读

图1：应变工程自旋螺旋中激发的磁振子模式。

图2：在动态偶极相互作用下观察非互易光学磁振子。

图3：强磁振子–磁振子耦合的观测。

图4：手性磁振子边缘态。

图5：长距离传播手性边缘态的可逆和选择性切换。

结论展望

本文的研究为磁振子边缘态的实现和调控提供了新的思路与平台。通过原子级设计晶格应变，成功实现了低阻尼、超长准反铁磁纹理，这为室温下手性磁振子边缘态的高效传播奠定了基础。这一研究表明，强偶极耦合作用在手性磁振子边缘态的产生与调控中起到了至关重要的作用。最具启示性的是，通过外场调控螺旋纹理的方向，可以实现磁振子边缘态的可逆开关，这种非易失性调控为未来量子技术的应用提供了新的方向。

此外，本文揭示了磁振子与其他玻色子耦合的潜力，这对于进一步探索磁性材料中的新型激发态及其量子行为具有重要意义。随着自旋波、磁振子等磁性激发态在低维系统中的研究深入，集成磁振器器件在信息存储、量子计算等领域的应用前景将更加广阔。因此，设计低阻尼材料和调控自旋纹理的策略，成为推动下一代量子信息技术发展的重要方向。

文献信息

Zhang, Y., Qiu, L., Chen, J. et al. Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge states. Nat. Mater. 24, 69–75 (2025).

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北京师范大学，Nature Materials！

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