近日，南方科技大学物理系和量子功能材料全国重点实验室、粤港澳大湾区量子科学中心李军学副教授课题组在反铁磁自旋输运研究方面取得进展，相关成果以“Observation of D’yakonov-Perel’-type magnon spin relaxation in uniaxial antiferromagnetic insulators”为题发表于 Nature Communications。

随着信息技术的快速发展，如何实现低功耗、高速度的信息传输与处理，已成为自旋电子学领域的重要研究目标。不同于传统电子器件主要依赖电荷输运，自旋电子学利用电子自旋/磁子传递信息，有望显著降低器件运行过程中的能量损耗。在磁性绝缘体中，自旋信息可以通过磁子进行长距离传播。因此，理解磁子的输运与自旋弛豫机制，对于发展新型低功耗自旋器件至关重要。

然而，与电子自旋弛豫机制相比，磁子的自旋弛豫机制长期缺乏直接实验验证。理论研究表明，在单轴反铁磁体中，两个简并的圆偏振磁子模式可类比为电子自旋；由于偶极相互作用引入有效自旋轨道耦合，磁子自旋可能表现出类似电子体系中的 DP 型弛豫行为。但这一机制尚未得到明确的实验验证。

图1. DP 型磁子自旋弛豫机制示意图

为解决这一问题，研究团队选择两种典型单轴共线反铁磁绝缘体 Cr₂O₃ 和 α-Fe₂O₃（低于260 K）作为研究对象，通过非局域自旋输运器件（图2a）系统研究了磁子自旋输运与弛豫行为。

研究发现，在自旋翻转（spin-flop）转变发生之前，外磁场能够显著增强非局域磁子自旋信号（图2f, 2d）。这一增强效应无法由传统的磁子能隙闭合模型、磁畴壁散射变化、局域温度变化或磁子-声子散射等常规机制解释。由于磁场能有效调控右手性和左手性的磁子能量劈裂大小，故而预期该反常现象与两种磁子模式的相互作用相关。

为此，研究团队建立了基于 DP 型磁子自旋弛豫的非局域输运模型。通过该模型可发现，当外磁场沿反铁磁体易轴方向施加时，可以有效抑制磁子自旋弛豫，延长磁子自旋寿命，并增强非局域自旋输运信号，理论与实验高度吻合。

图2. 单轴反铁磁绝缘体中的长距离磁子传输和反铁磁畴图像

为了验证磁子的自旋弛豫长度随着磁场增强的反直觉物理图像，研究团队制备了具有不同间距的非局域器件，提取了不同磁场下的磁子自旋扩散长度。如图3b和3d所示，在 Cr₂O₃ 和 α-Fe₂O₃ 中，磁子自旋扩散长度均随外磁场增加而变大，并在一定磁场后趋于饱和。这与铁磁及亚铁磁中的磁子弛豫现象完全相反：二者中的磁子自旋弛豫长度随着磁场增加而减弱。这一结果进一步证明，外磁场可以抑制 DP 型磁子自旋弛豫，从而提高反铁磁体中的磁子自旋输运效率。

图3. 磁场调控下的磁子自旋扩散长度

此外，研究团队还系统研究了零场磁子自旋扩散长度的温度依赖关系。研究人员发现，Cr₂O₃ 和 α-Fe₂O₃ 中的温度演化行为均可通过 DP 型磁子自旋弛豫模型得到定性解释。这表明，磁子动量弛豫、磁子能隙以及有效自旋轨道耦合共同决定了单轴共线反铁磁体绝缘体中的磁子自旋输运行为。

该研究在实验上揭示了 DP 型磁子自旋弛豫在共线反铁磁绝缘体中起到主导作用，为理解反铁磁体中的磁子动力学提供了新的物理图像，也为设计高效率反铁磁自旋电子器件提供了重要基础。

粤港澳大湾区量子科学中心助理研究员高钦武和北京师范大学物理系从安迪博士为论文共同第一作者，北京师范大学物理系沈卡教授和李军学为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究工作得到了复旦大学吴施伟教授的大力支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金、广东省创新创业团队计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省先进热电材料与器件物理重点实验室、深圳市科技创新项目和粤港澳大湾区量子科学中心量子科学战略专项的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71298-y

供稿：物理系

通讯员：高虎梅

主图：丘妍

编辑：曾昱雯