Magnonic Fabry-Pérot resonators as programmable phase shifters

技术摘要：作为可编程相移器的磁子法布里-珀罗谐振器

问题陈述
磁子学通过将信息编码在自旋波的振幅或相位中，为通过增强能量效率和速度来改进数据处理提供了一条途径。对于基于相位的信息处理（例如自旋波多数门）而言，一个关键组件是可编程相移器，它能够按需修改传播自旋波的相位。虽然存在各种可调相移器（例如基于畴壁、厄斯特场或非线性效应的器件），但目前需要的是能够在短距离内实现显著相位调制且具有可扩展性和低功耗的器件。具体而言，能够按需实现 $\pi$ 相位切换是波式计算架构的一个理想特性。

方法论
作者研究了一种由低损耗钇铁石榴石（YIG）薄膜与磁性钴铁硼（CoFeB）纳米条耦合而成的磁子法布里-珀罗（Fabry-Pérot）谐振器。该器件通过动态偶极耦合运行，这种耦合促进了非互易波长下转换并形成了磁子腔。

• 样品制备： 在 GGG 基底上通过脉冲激光沉积生长了 85 nm 厚的 YIG 薄膜并进行了退火处理。在 YIG 上方制备了一个 30 nm 厚、850 nm 宽、10 $\mu$m 长的 CoFeB 纳米条，两者之间由 1 nm Ta/3 nm TaO$_x$ 间隔层隔开。
• 实验设置： 利用位于谐振器 20 $\mu$m 处的微波天线在 YIG 薄膜中激发自旋波。施加一个与天线平行的磁偏置场以激发 Damon-Eshbach 自旋波。
• 表征： 团队利用超奈奎斯特采样磁光克尔效应（SNS-MOKE）显微技术测量了传输自旋波的振幅和相位。扫描沿横跨谐振器中心的一条线以及一条平行的参考线进行。
• 模拟： 使用 MuMax3 软件进行了微磁模拟，以补充实验数据，模拟了 YIG 和 CoFeB 层的特定材料参数以及激发天线的几何结构。

主要贡献与结果
研究表明，磁子法布里-珀罗谐振器可以作为可编程相移器，能够诱导传输自旋波产生 $\pi$ 相位差。

1. 共振与磁化状态： 传输谱显示了对应于 $n=2$ 法布里-珀罗共振的明显能隙。随着磁场扫描，这些能隙发生突变，对应于 YIG 薄膜与 CoFeB 纳米条之间的平行和反平行磁化配置之间的转变。由于系统的手性，这导致了四种不同的“磁子态”。
2. 波长转换与相位累积： 进入谐振器后，入射自旋波的波长 $\lambda_1$ 会根据磁化方向的不同，下转换为较短的波长（$\lambda_2$ 或 $\lambda_3$）。这种显著的波长缩减使得在 850 nm 宽的短距离谐振器内能够累积大量的相位偏移。
3. 可编程 $\pi$ 相位移： 最显著的发现是能够按需实现传输自旋波的 $\pi$ 相位切换。通过反转 CoFeB 纳米条的磁化方向（同时保持 YIG 沿正 y 方向的磁化），在 1.1–1.3 GHz 频率范围内，相位偏移从大约 0 变为 $\pi$（或反之）。
4. 振幅保持： 在约 1.2 GHz 的特定频率下，谐振器在诱导 $\pi$ 相位移的同时，保持了稳定的传输振幅（降低至输入值的 ~65%），无论是在平行还是反平行状态下。这证实了该器件在不显著改变信号强度的前提下执行相位反转的能力。
5. 波前变形： SNS-MOKE 成像显示，谐振器诱导的相位偏移使自旋波波前发生弯曲，产生从纳米条边缘发出的焦散束（caustic beams）。这种曲率是谐振器宽度内累积相位偏移的直接体现。

意义
本文认为，磁子法布里-珀罗谐振器是可重构磁子电路和自旋波计算器件极具前景的组件。它能够在纳米级距离（850 nm）内提供可控的 $\pi$ 相位移，解决了将相位移元件集成到磁子逻辑门中的可扩展性需求。该器件以低损耗传输运行，并允许通过磁性切换进行按需控制，满足了高效相位信息处理的关键标准。作者总结道，这种功能使该谐振器成为先进数据处理架构中实现可编程相位偏移的可行方案，而在这些架构中，可编程相位移是必不可少的。