自旋波（spin waves）及其量子化磁子（magnons）能够在低阻尼磁性材料中相干传输，由于不携带电荷，可极大程度避免焦耳热的产生，因此自旋波或磁子被IRDS（国际器件和系统路线图）认为是构筑后摩尔逻辑电路的重要信息载体，同时也是用来探索与其他玻色子（光子、库珀对等）耦合而衍生新奇量子现象的理想平台。自1930年由布洛赫提出以来，人们在铁磁、亚铁磁、反铁磁等众多材料中发现一系列新奇的自旋波激发、传输、探测等现象及其衍生功能。与传统磁子传输模式相比，理论上预言在低维磁结构中可能存在手性磁子边缘态，可以显著降低自旋波传输过程中的散射耗散。然而过去近一个世纪以来，在室温下能够长距离传输的磁子边缘态至今仍未能实现。其主要的挑战在于：室温下同时具备理想低维磁结构和低磁阻尼系数的材料无法获得。
最近，北京师范大学、北京航空航天大学等国内多家单位通过近十年的合作努力，率先提出材料对称性人工操控的新策略，在传统关联电子La0.67Sr0.33MnO3薄膜中同时优化了电子和自旋结构，使之在室温下兼具超低阻尼系数与超长磁螺旋序（图a）。该低维自旋结构提供了强偶极相互作用，创造了自旋波光学支模式与畴壁模式的杂化耦合（图b左）。这种局域化的强杂化模式能够分别沿着上/下磁畴的边缘远距离手性传输，即手性磁子边缘态（图b右）。超长的磁螺旋“纳米通道”为自旋波的高效传输构筑了一条条“磁子高速公路”，如图c所示。同时，外场可以选择性地实现手性磁子边缘态的开关调控，展示了其作为基本功能单元而设计纳米磁子学和自旋电子学器件的潜力。该工作不仅为磁子边缘态在室温下的高效传输提供了一个可控制的纳米通道，也为进一步研究新奇磁子激发、传输以及与其他玻色子的耦合提供了一个全新的、可操控的低维量子体系。
图（a）准反铁磁耦合的磁螺旋结构及室温自旋波传输器件；（b）强磁子-磁子耦合而产生的手性磁子边缘态；（c）超低阻尼、长磁螺旋序为边缘态的传输提供了“磁子高速公路”。
相关研究成果近日以“Switchable long-distance propagation of chiral magnonic edge state”为题发表在国际学术期刊《Nature Materials》（自然·材料）上。编辑以“Efficient propagation of a chrial magnonic edge state in a strongly correlated oxide”为题特别出版了一期“研究简报”（Research Briefing）重点宣传了相关工作。北师大物理系2021级博士毕业生张跃林（现为北师大物理与天文学院讲师）、2024级博士毕业生邱雷（现为西华大学讲师）、博士后吴世喆（现为天工大副教授），北航集成电路学院2021级博士毕业生陈济雷（现为南科大副研究员）为论文共同第一作者。北师大物理与天文学院张金星、沈卡，以及北航集电学院于海明为本论文的共同通讯作者。其他合作者也对本工作给予了重要实验和理论帮助。该工作得到了国家杰出青年科学基金、科技部重点研发计划的支持，国家自然科学基金面上项目和青年基金、北京市自然科学基金以及中央高校基本业务经费等项目的资助对本文发表亦有帮助。
这项由我国科学家提出并独立完成的工作，不仅为超低功耗后摩尔芯片的设计提供了具有潜力的候选材料，也为探索和操控磁子等新奇物态提供了全新的低维量子体系。