近日，蘭州大學物理科學與技術學院的楊德政教授和薛德勝教授課題組在《自然·通訊》雜志上發表了題為Acoustic spin rotation in heavy-metal-ferromagnet bilayers的研究論文。通過聲子與電子自旋-電荷動力學的相互作用，首次實現了聲子驅動下自旋流中自旋方向的旋轉，深入揭示了自旋流和晶格運動之間新的耦合機制。
近年來，聲子與電子自旋-電荷動力學相互作用的研究開辟了自旋電子學的新領域。該領域已經建立了聲子與自旋（或磁矩）的耦合關系，并同時證明了聲子具有手性，可以像電子、磁子和光子一樣，在非磁性材料甚至絕緣體中傳遞自旋信息，顯著拓展了自旋電子學的應用范圍。由于聲子還天然具備波動特性，如傳輸距離遠、傳播范圍廣、無接觸操控等，所以聲自旋電子器件在集成度、能耗、結構設計和波動量子計算等方面具備更大優勢。
考慮到電子和晶格運動的相對性，電子朝著晶格運動等效于晶格朝著電子運動，因此，晶格運動可以代替電子運動，給自旋軌道耦合調控提供新的自由度。如圖1所示，研究團隊巧妙利用表面聲學波驅動晶格運動，通過界面自旋軌道耦合的作用，在鐵磁/重金屬異質結中成功實現了運動晶格對自旋方向的調控。
這項研究從概念上突破了自旋電子器件中晶格相對靜止的局限，揭示了在磁、聲、電多場耦合下，自旋和晶格運動之間存在的一種新的耦合。該耦合機制主要起源于表面聲學波誘導的非均勻磁化梯度，導致一個新的自旋軌道力矩生成，從而使自旋方向發生旋轉。
與基于電荷運動的傳統自旋電子器件相比，聲自旋旋轉效應表現出更高的效率。通過自旋輸運的漂移擴散模型，聲自旋旋轉效率可達30%。這一發現賦予了聲學器件直接控制自旋的能力，為自旋流中自旋方向的聲子調控提供了新的思路，并為表面聲學波的自旋調控機制提供了新的觀點。