可调色散低损耗离子注入自旋波波导实现大规模磁子网络

研究人员通过硅离子注入技术在钇铁石榴石(YIG)薄膜中实现了可调色散的低损耗自旋波波导，解决了传统波导传播长度短(<54μm)和色散调控受限的难题。该技术使自旋波传播长度突破100μm，并成功构建包含198个交叉点的大规模磁子网络，为晶圆级磁子集成电路奠定了基础。

　　

在信息处理技术追求更高能效的今天，磁子网络因其利用自旋波（spin wave）进行信息传递的独特优势备受关注。作为磁子网络的基本构建单元，自旋波波导的性能直接决定了整个网络的规模与效率。然而当前技术面临两大瓶颈：一是刻蚀工艺制备的波导传播长度普遍不足54μm；二是现有方法难以实现对波导色散特性的精确调控。这些限制使得复杂磁子网络的实现长期停留在理论阶段，最先进的实验演示仅包含4个交叉点。

针对这一挑战，德国明斯特大学（University of Münster）与俄罗斯科学院合作团队在《Nature Materials》发表突破性研究。研究人员创新性地采用70 keV硅离子(Si²⁺)注入技术，在110 nm厚的钇铁石榴石(YIG)薄膜中构建出非晶态波导包层。通过精确控制注入剂量(2.5-10 pCμm^-2)，实现了对波导色散关系的连续调节，同时保持超低损耗特性。实验测得自旋波传播长度超过100μm，较传统金属耦合波导提升5倍。基于这种无掩模制备技术，团队成功演示了包含34个输入端口、198个交叉点的集成磁子网络，为晶圆级磁子电路铺平道路。

关键技术方法包括：1）70 keV硅离子束直写构建波导结构；2）同步锁模法拉第旋转成像系统实现μm级空间分辨的自旋波动态检测；3）SRIM软件模拟离子注入剖面；4）mumax3微磁模拟解析波导模式特性。

主要研究结果
可调色散低损耗波导
通过改变硅离子注入剂量（2.5/5/10 pCμm^-2），实现波导色散关系频率偏移达1.5 GHz。STEM显示非晶化区域深度占YIG薄膜厚度的60-90%，形成有效折射率梯度。

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-2剂量注入区域。'>

超长衰减长度
750 nm波导在2.5 pCμm^-2剂量下衰减长度达112μm，比刻蚀波导提高2倍。微磁模拟表明非晶区域饱和磁化强度(M_sat)仅为晶体YIG的1%，通过退磁场效应实现波导约束。

多模式传播调控
空间傅里叶变换分析显示：<1μm波导支持单模(n=1)传播；3μm波导可激发高达n=5的高阶模式。通过调节注入剂量，可实现模式扩展深度从30 nm（10 pCμm^-2）到150 nm（2.5 pCμm^-2）的精确控制。

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-2剂量）。n=1-3模式强度随剂量增加而收缩，虚线标称波导宽度。'>

色散工程应用
构建750 nm→1μm波导扩展器，通过差异化注入剂量（2.5→10 pCμm^-2）补偿几何尺寸变化导致的波矢失配(k₁-k₂)，实现 junction 处反射率从>90%降至<15%。

该研究标志着磁子器件制备技术的范式转变：1）离子注入替代传统光刻-刻蚀工艺，避免边缘损伤；2）剂量-色散定量关系为功能器件设计提供新维度；3）无掩模直写特性支持晶圆级集成。这项工作为构建包含数千节点的复杂磁子计算系统奠定了材料基础，有望推动自旋波逻辑门、干涉仪等元件向实际应用迈进。