近日，物理评论B在线刊发了于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组题为“Magnon correlation enables spin injection, dephasing, and transport in canted antiferromagnets”的研究论文。课题组叶茜茵为论文的第一作者，于涛教授为论文的通讯作者，华中科技大学为论文的第一单位。
近年来，反铁磁因其超快动力学、抗磁场干扰以及低功耗等优势在自旋电子学应用中展现出巨大潜力。磁子（自旋波量子）作为反铁磁中自旋信息的载体，可实现高效、低耗散的长程自旋输运。传统观点认为，磁子自旋由本征的磁子模式携带，而在易平面或倾斜反铁磁体中，磁子模的奈尔矢量呈线偏振，因此被认为难以支持净自旋流。然而，这一观点被近期在倾斜反铁磁赤铁矿（α-Fe2O3）中观测到的长程磁子自旋输运与磁场可调的Hanle效应所挑战。
在这项工作中，我们从量子理论层面揭示了这一矛盾的根源：磁子的自旋本质上由一个矩阵描述，如图1所示。其对角元代表由磁子本征模式携带的自旋，而在倾斜反铁磁体中，这一贡献为零；真正承载并传输自旋的，是矩阵中的非对角元——它代表了不同磁子模式之间的量子关联。
图1: 自旋矩阵的结构。
我们建立了完整的量子动力学理论，证明在非相干的电注入过程中，电子的净自旋翻转能在两个磁子模式间建立起宏观量子相干（即关联），如图2(b)所示。这种磁子自旋流在传输中并不守恒，会受到由模式间的频率差导致的内禀自旋转矩的影响，引发自旋的空间振荡和退相位，且该效应随磁场增强而加剧，如图2(c)所示。与此同时，邻近金属导体可通过自旋交换引起外禀退相位，从而抑制振荡，实现对自旋输运的“门控”开关。
该理论不仅为理解非共线反铁磁体中一系列反常自旋输运实验提供了统一框架，更预言了通过磁场和金属门来实现对相干自旋信号的调控。
输运装置示意图。(b) 注入的磁振子关联的实部Reρ12,q及模式“1”模的粒子数δn1,q。(c) 强磁场下自旋流的振荡和衰减。