基于微空气间隙偶极耦合自旋波的高隔离度磁子学内联干涉器件研究

本文报道了一种基于钇铁石榴石（YIG）微结构的磁子学内联干涉器件，通过引入微空气间隙调控自旋波（SW）传播特性，实现了高达50 dB的隔离比（为同类器件最高记录）。该研究通过间隙长度依赖的指数-线性衰减模型揭示了偶极耦合自旋波的跨间隙传输机制，并首次实现了群速度倍增（从2 km·s?1提升至4.4 km·s?1）和相位精确调控（37°·μm?1）。这项技术为可重构磁子逻辑门、高灵敏度磁传感器和微波相移器提供了新范式。

　　

引言

自旋波（Spin Waves, SWs）因其无焦耳热损耗的数据传输特性，在后CMOS器件技术中备受关注。钇铁石榴石（Y₃Fe₅O₁₂, YIG）等低阻尼磁介质中，自旋波可在室温下以相干波形式长距离传播。磁静态表面自旋波（Magnetostatic Surface Spin Waves, MSSWs）因高激发效率和单向传播特性，成为器件应用的首选模式。然而，MSSWs存在非互易性传播问题，即正反向波矢（+k与-k）的强度差异，导致内联干涉器件中信号幅值不平衡，限制隔离比提升。传统方法通过调制频率、外场强度或波导宽度调控非互易性，但会引入形状各向异性导致的频移问题。本研究提出一种创新方案：通过在YIG微结构中引入微空气间隙，实现自旋波强度的精确调控，并显著提升器件性能。

实验方法

研究采用脉冲激光沉积技术在钆镓石榴石（Gd₃Ga₅O₁₂, GGG）衬底上外延生长90 nm厚YIG薄膜，X射线衍射（XRD）显示Laue振荡峰，表明薄膜具有高质量外延结构（图1b）。通过铁磁共振（FMR）测量得到的吉尔伯特阻尼系数低至6.9×10^?4。采用光刻和热磷酸蚀刻工艺制备520 μm×250 μm矩形YIG波导，并集成金基共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）天线。信号线与地线宽度为20 μm，间距11 μm以匹配矢量网络分析仪（VNA）阻抗。最短边缘间距为140 μm（图2a）。

结果与讨论

参考器件（无间隙）中，1.89 GHz激发频率下构造性干涉与破坏性干涉信号幅值分别为-25 dB和-39 dB，隔离比仅14 dB（图2b）。散射参数分析表明，非互易性导致两路干涉信号（S₂₁与S₂₃）存在3 dB强度差（图2c）。为平衡信号强度，研究团队在自旋波传播路径引入微空气间隙（图3b）。实验发现自旋波可通过偶极-杂散场耦合机制跨越非磁间隙：入射波与反射波在间隙处通过时变杂散场耦合，将动态信息传递至第二磁块，但伴随能量衰减。传输强度随间隙长度d（0–66 μm）呈指数-线性衰减：B ∝ (A×exp(-d/12.3)+B×d+C)，其中12.3 μm与自旋波波长相当（图4a,b）。

间隙结构显著改变自旋波传输特性：

1. 1.

   群速度提升：通过传输谱极值点频率间隔δf计算群速度，参考器件为2 km·s^?1，66 μm间隙器件提升至4.4 km·s^?1（图4c,d）；

2. 2.

   相位调控：间隙长度变化1 μm（2→3 μm）诱导约37°相位偏移，满足关系式 Δ? = 360°×δf_P1/δf_P2P1（图4c）。

基于上述机制，研究团队在干涉器件中引入非对称间隙（S₂₁路径3 μm，S₂₃路径2 μm）以平衡信号强度（图5a）。散射参数显示两路信号均稳定于-44 dB（图5b），干涉隔离比提升至50 dB（图5c），且相位差与间隙差异导致的37°偏移理论吻合。该值创下自旋波干涉器件最高记录，显著优于此前报道的16 dB。

结论

本研究证实了自旋波通过微空气间隙的跨介质传输能力，其衰减特性符合指数-线性模型。通过非对称间隙设计成功解决MSSWs非互易性问题，将干涉隔离比从14 dB提升至50 dB。该技术为高噪声环境下低功耗磁子逻辑器件和高灵敏度磁传感器提供解决方案。同时，间隙长度对群速度（2→4.4 km·s^?1）和相位（37°·μm^?1）的调控能力，为可重构延迟线和微波相移器设计开辟新途径。