2023年10月9日，物理评论B（PHYSICAL REVIEW B）在线发表了于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组题为“Gating ferromagnetic resonance of magnetic insulators by superconductors via modulating electric field radiation”的研究论文，华中科技大学为论文第一单位。课题组周熙涵为论文第一作者，于涛教授为文章的通讯作者。
作为绝缘体中一种能够实现低能耗输运的信息载体，磁子已受到研究者的广泛关注[Phys. Rep. 507, 107 (2011)]。如何对磁子的动力学和输运性质进行调控是研究的重点。最近的研究表明超导体中库伯对可以通过偶极相互作用实现与磁子的超强耦合。例如，在薄的超导-铁磁金属-超导所构成的异质结结构中，研究发现铁磁共振的共振场会发生较大的移动，其位移大小达到了50 mT；当温度大于超导转变温度时，该位移消失[Phys. Rev. Appl. 11, 014061 (2019)]。这样的现象可能与铁磁金属与超导之间的巨退磁效应、超导自旋三重态等有关。对于超导-铁磁绝缘体的构型中，实验发现铁磁共振的移动会被抑制[Chin. Phys. Lett. 35, 077401 (2018)]。这启示我们研究超导-磁绝缘体结构中磁子与库伯对是否能够耦合的问题。
在此研究中，我们发现对于面内磁化的铁磁绝缘体薄膜，均匀进动的磁矩会在铁磁表面产生相反的磁化电流，进而向两边辐射振幅相反的电磁波，这样的电磁波会被铁磁薄膜附近的超导体所调制。当考虑铁磁绝缘体-超导构型时，右边辐射的电磁波被超导全反射，并且反射波与入射波相差pi相位。由于右侧超导体的全反射作用，铁磁体右边的电场为0，没有电场进入超导体中，因而铁磁共振的频率并不受影响。然而，当考虑超导-铁磁绝缘体-超导构型时，由于两侧都有超导体，电场将不断地被反射，最终进入超导体中，驱动超流，超流产生的奥斯特磁场将会显著影响铁磁共振的频率。基于此，我们预测了氮化铌（NbN）-钇铁石榴石（YIG）-氮化铌（NbN）异质结结构中磁子与超导的超强耦合效应，当温度为超导转变温度的一半时，其共振频率的偏移达到了单层铁磁共振频率的百分之五十，不仅如此，我们还给出了其频率偏移量随温度的变化，并且指出当温度高于超导转变温度时，超导转变为导体，此时来回反射的电场同样可以进入导体驱动电流，然而，导体中普通电流产生的奥斯特磁场与超流产生的磁场存在pi/2的相位差，这会给铁磁体中铁磁共振带来额外阻尼，但不影响其共振频率。铁磁绝缘体与超导的超强耦合效应有望给片上磁子学和量子磁子学中的信息处理提供了新的手段。
图1：单层铁磁绝缘体薄膜辐射的电磁场。
图2：在氮化铌-钇铁石榴石-氮化铌异质结结构中由磁子与库伯对超电流之间的超强耦合导致的铁磁共振频移。