今天我想和大家谈谈一篇非常有趣的文章，题目是“观测和控制混合自旋波-迈斯纳电流输运模式”。 本文作者是来自荷兰代尔夫特理工大学的一组物理学家，他们利用超导体的磁屏蔽效应来操纵薄膜磁体中自旋波的传输，并利用金刚石中的氮空位（NV）自旋来实现磁场的高分辨率成像。 他们观察到超导体中自旋波和迈斯纳电流之间的混合传输模式，并使用激光实现对自旋波折射的局部控制。 这些结果证明了超导体在调控自旋波传输方面的巨大潜力，也为自旋波的应用开辟了新的可能性。
自旋波是磁性材料中存在的一种集体激励，它是由磁矩与平衡方向的轻微偏差产生的。 您可以将磁矩想象成一个微小的指南针，由于周围磁场和其他磁矩的影响而改变方向。 当磁矩偏离平衡时，它会产生周围磁矩的扰动，并且这种扰动像波一样传播，这就是自旋波。 自旋波的波长范围从纳米到微米，其频率范围从几赫兹到几十千兆赫兹。 自旋波传播的速度和方向取决于磁场的大小和方向，以及磁性材料的性质。
自旋波有什么用？自旋波可以在磁性材料中携带自旋信息，也就是说，它可以在不需要电流的情况下传输信息。 这样可以避免电流引起的能量损失和热效应，提高信息处理的效率和速度。 自旋波还可以执行非常复杂的功能，如非互易性、非线性、干涉、衍射、折射等，这些都是基于电荷的电子器件难以实现的。 因此，自旋波被认为是一种非常有前途的信号载体，可用于构建新型的磁逻辑、存储、通信和计算设备。
超导体是一种在低温下具有零电阻和强抗磁性的材料。 零电阻意味着电流可以在超导体中流动而不会损耗，而强抗磁性意味着超导体可以排斥外部磁场，这被称为迈斯纳效应。 超导体的这些特性使其在电学、传感、成像、量子信息等领域具有广泛的应用。
超导体如何实现零电阻和抗磁性？这涉及一种称为库珀对的粒子，它是由两个具有相反自旋的电子交换声子形成的束缚态。 库珀对的总自旋为零，因此不受外磁场的影响，不产生磁场。 库珀对的总动量也为零，因此它不会与晶格碰撞，也不会产生阻力。 当超导体的温度降至临界值以下时，电子形成库珀对，并通过称为玻色-爱因斯坦凝聚的过程占据相同的量子态。 这样一来，超导体中的所有库珀对就像一个巨大的量子波函数，可以畅通无阻地流动，从而产生了超导现象。
超导体的抗磁性可用于改变自旋波在磁性材料中的传播特性。 当超导体与磁性材料接触时，超导体中的迈斯纳电流会在界面处产生反向磁场，从而抵消磁性材料的磁场。 通过这种方式，超导体充当阻挡或反射自旋波的磁屏蔽。 当超导体温度升高时，迈斯纳电流减弱，磁屏蔽效应减弱，自旋波可以部分穿透超导体。 这样，超导体的温度就可以用来调节自旋波的传输。
*作者利用这一原理制备了由超导体铌（NB）和磁性铁氧体（YIG）组成的双层薄膜结构。 他们在YIG表面雕刻出不同形状的NB图案，然后用微波天线激发YIG中的自旋波，用金刚石探针扫描YIG上方，利用NV自旋的磁共振信号来测量自旋波的磁场分布。 他们发现，当Nb处于超导状态时，自旋波的波长明显缩短，因为Nb的磁屏蔽效应增强了Yig的等效磁场，从而增加了自旋波的频率。 当Nb处于正常状态时，自旋波的波长恢复到原来的值，因为Nb的磁屏蔽效应消失，YIG的等效磁场恢复到原来的值，从而降低了自旋波的频率。
他们还发现，当NB的形状为圆形或方形时，自旋波在NB的边缘被反射，形成驻波图案。 当Nb的形状为三角形时，自旋波在Nb的顶点处折射，形成散射图案。
除了利用超导体的温度来调节自旋波的传输外，作者还利用激光的热效应来实现对自旋波的局部控制。 他们使用聚焦的激光束照亮YIG表面上的一个点，导致该点的温度升高，从而改变该点的磁场和自旋波的频率。 通过这种方式，激光充当可移动的磁障，可以对自旋波产生折射或反射作用。 他们发现，当激光的功率足够大时，自旋波在激光的边缘被充分反射，形成自旋波的波导管。 当激光的功率较小时，自旋波会在激光的边缘部分折射，形成自旋波的透镜。