🔬 介观物理

Low magnon damping of a EuSe film down to millikelvin temperatures

本研究表明，外延 EuSe 薄膜在毫开尔文温度下表现出极低的磁振子阻尼，其吉尔伯特阻尼参数上界为 $1.1\times10^{-3}$ ，磁振子寿命为 2 ns，使其成为混合量子系统和量子磁振学领域极具前景的候选材料。

原作者： Rostyslav O. Serha, Jan Hofer, Khrystyna O. Levchenko, Andreas Ney, Sergej O. Demokritov, Gunther Springholz, Andrii V. Chumak

发布于 2026-10-16

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CC BY 4.0

原作者： Rostyslav O. Serha, Jan Hofer, Khrystyna O. Levchenko, Andreas Ney, Sergej O. Demokritov, Gunther Springholz, Andrii V. Chumak

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在构建下一代量子计算机的探索过程中，科学家们正在寻找能够携带信息且不会因热量或噪声而丢失信息的材料。其中一个极具前景的候选者是磁振子（magnon），这是一种在固体材料中像池塘上的波纹一样传播的微小磁性涟漪。与作为标准电流载体的电子不同，磁振子不需要电荷流，这使得它们非常适合用于能与超导电路和光线相互作用的绝缘材料中。然而，为了让这些涟漪在量子机器中发挥作用，它们必须存活足够长的时间。这就要求材料具备低阻尼特性，即涟漪不会迅速消散。虽然一种名为钇铁石榴石（yttrium iron garnet）的材料长期以来一直是该领域的佼佼者，但它在冷却到量子实验所需的极低温度时存在一个显著缺陷：它会以一种导致能量损失的方式与周围环境发生相互作用。因此，研究人员正在寻找一类新的磁性半导体，即使在仅比绝对零度高出极小部分的温度下，也能保持其清晰度。

一支物理学家团队现在将注意力转向了一种名为硒化铕（europium selenide）的特定材料，这是一种表现得像磁性半导体的化合物。这种材料之所以独特，是因为其磁性来自于紧紧锁定在原子上的电子，而不是像金属中那样自由流动。这种结构表明，该材料天生就能抵抗通常会扼杀磁波的内部摩擦。为了测试这一点，研究人员在一个不会干扰磁性的特殊晶体基底上，生长了一层高质量的薄硒化铕薄膜。随后，他们将这层薄膜放入一台稀释制冷机中，这种机器能够将样品冷却到低至 30 毫开尔文（millikelvin）的温度，这比深空还要冷。在这一极寒环境中，他们利用微波来激发磁波，并仔细测量了这些波在消散前持续了多久。

结果显示，这种新材料与传统的优选材料之间存在着显著差异。在大多数磁性材料中，随着信号频率的增加，波会更快地损失能量，这种行为限制了它们的用途。相比之下，硒化铕薄膜中的波随着频率和外加磁场的增加变得更加尖锐和稳定。当研究人员将薄膜冷却到 30 毫开尔文并施加强磁场时，发现这些波持续了二十亿分之一秒。对于如此微小的涟漪来说，这是一个相当长的生存时间，对应的能量损失水平在所有薄膜记录中属于最低的一批。团队计算得出，该材料内部的固有摩擦极低，几乎与目前所能制造出的最好的块体晶体一样出色，这表明该薄膜本身的质量极高。

至关重要的是，研究人员发现，这种低水平的能量损失在温度从 30 毫开尔文上升到 750 毫开尔文的过程中并没有发生变化。这种稳定性至关重要，因为它证明了波不会被随机的热抖动或其下方的磁性衬底所散射，而这正是困扰其他材料的问题。相反，剩余的损失似乎源于薄膜中微小的、固定的缺陷，例如厚度的微小变化或杂质原子，而非源于材料本身的本质属性。研究还表明，该材料可以使用极弱的磁场在不同的磁状态之间进行切换，使其在关闭时可以表现为没有净磁场的磁体，而在开启时表现为强磁体。这种无需产生杂散磁场即可切换状态的能力，使其成为精密超导组件的理想搭档。

这些发现表明，硒化铕是新兴量子磁振学领域的一种强大的新工具。通过结合携带磁波的能力、极低的能量损失、在超低温度下运行的能力以及改变其磁状态的灵活性，这种材料为构建混合量子系统提供了路径。虽然目前的薄膜与自然界中最纯净的晶体相比仍有改进空间，但结果证明了该材料的潜力是真实且可实现的。这项工作为使用这些磁性半导体不仅作为被动组件，而且作为未来量子设备的活跃、可调控部件开辟了道路，架起了超导电路与磁性世界之间的桥梁。

技术摘要：低至毫开尔文温度下的 EuSe 薄膜低磁子阻尼特性

问题陈述
量子磁子学（quantum magnonics）的快速发展对能够在毫开尔文温度下保持低磁子损耗，同时提供优于现有材料（如饧铁石榴石 YIG 和铁磁金属）功能的磁性材料提出了关键需求。虽然绝缘磁体可以避免传导电子带来的损耗，但目前的材料基础较为狭窄。YIG 具有已知最低的磁阻尼，但通常生长在钆镓石榴石 (GGG) 基底上。然而，GGG 是顺磁性的；其在低温下的高磁化率会产生不均匀的杂散场，导致 YIG 薄膜在 1 K 以下的磁子损耗增加高达一个数量级。尽管抗磁性基底可以消除这一机制，但目前缺乏既能优于 YIG 性能又兼容此类基底的绝缘磁体。铕类硫族化合物（EuO、EuS、EuSe、EuTe）是极具前景的候选材料，因为它们具有磁性半导体特性、高自旋矩（ $7 \mu_B$ ）以及极小的轨道角动量（ $L=0$ ），这在理论上意味着弱自旋-轨道耦合和极低的本征阻尼。然而，特别是对于薄膜形式且处于量子实验相关温度（1 K 以下）下的 EuSe 磁子阻尼特性，目前在很大程度上仍未得到探索。

研究方法
作者通过分子束外延技术，在抗磁性 BaF $_2$ (111) 基底上生长了 240 nm 厚的亚铁磁 EuSe 外延薄膜。该研究采用了两种主要表征技术，温度范围从 10 K 到 30 mK：

磁性测量： 在物理性质测量系统 (PPMS) 中进行振动样品磁强计 (VSM) 测试（1.8 K 至 10 K），以绘制亚铁磁转变和饱和磁化强度曲线。
宽带铁磁共振 (FMR)： 使用共面波导几何结构进行 FMR 光谱测量。在 PPMS 中进行测量（15–70 GHz，1.8–10 K），并在配备超导矢量磁体的稀释制冷机中进行测量（最高 67.7 GHz，30 mK–1.8 K）。记录在扫过面内静态磁场时的复传输系数 ( $S_{21}$ )。

数据分析涉及使用复洛伦兹函数拟合传输曲线，以提取共振场 ( $B_{res}$ ) 和加载全宽值 ( $\Delta B_L$ )。通过根据传输谷的深度对辐射耦合贡献进行修正，得出本征线宽 ( $\Delta B$ )。利用针对面内磁化薄膜的 Kittel 方程分析共振数据，以确定有效磁化强度 ( $M_{eff}$ ) 和旋磁比 ( $\gamma$ )。

关键结果

磁相与磁化强度： 该薄膜表现出 EuSe 特有的亚铁磁行为。在奈尔温度 ( $T_N \approx 4.6$ K) 以下，系统在低场下从反铁磁 (AFM) 态转变为亚铁磁 (FiM) 态，最后在低于 0.25 T 的磁场下转变为场定向铁磁 (FM) 态。在 1.8 K 和 2.5 T 下，饱和磁化强度达到 997 kA/m，约为理论自旋值的 91%。通过 FMR 拟合得到的毫开尔文温度下的有效磁化强度 ( $M_{eff}$ ) 为 1108 kA/m，与 Eu $^{2+}$ 离子的全自旋矩一致。
线宽行为： 本征 FMR 线宽 ( $\Delta B$ ) 表现出不同于 Gilbert 阻尼铁磁体的行为。线宽并未随频率增加而线性增加，而是随着频率和磁场的增加而减小。在 30 mK 时，线宽从 20 GHz 时的 24 mT 降至 67.7 GHz 时的 5.45 mT。
温度依赖性： 在 750 mK 以下，高频下的线宽与温度无关。在 $T_N$ 以上，线宽在低频时显著增加，但在高频下继续随频率降低，这与场极化顺磁子（paramagnons）的特征一致。
阻尼参数： 在 30 mK、68 GHz 和 1.8 T 时，线宽为 5.5 mT。该数值对应于 2 ns 的磁子寿命 ( $\tau$ )。假设整个线宽都归因于 Gilbert 阻尼，则得到的有效阻尼参数 ( $\alpha_{eff}$ ) 为 $1.1 \times 10^{-3}$ ，作者将其视为一个上限。由于残余线宽被归因于外在因素，实际的 Gilbert 阻尼可能更低。

意义与主张
本文确立了生长在抗磁性 BaF $_2$ 基底上的外延 EuSe 薄膜在低至 30 mK 时仍具有低磁子阻尼，其性能与体相单晶相当，且显著低于在类似温度下生长在顺磁性基底上的 YIG 薄膜。该材料提供了一种独特的属性组合：

低损耗： 磁子寿命为 2 ns，Gilbert 阻尼的上界为 $1.1 \times 10^{-3}$ 。
零场状态： 在 $T_N$ 以下，在无外加磁场的情况下，EuSe 表现为反铁磁性，没有净磁矩或杂散场，这使其与超导元件兼容。
可调控性： 利用低于 0.25 T 的磁场即可在反铁磁、亚铁磁和铁磁相之间切换磁序。
高饱和磁化强度： 其饱和磁化强度在低温下是 YIG 的五倍以上。

作者得出结论，EuSe 及更广泛的镧系硫族化合物家族是混合量子系统和量子磁子学应用的有力候选平台。他们指出，剩余的展宽是外在因素导致的（可能源于杂质和晶格缺陷），并建议通过进一步的材料纯化（类似于 YIG 的发展历程）可以进一步降低损耗。该研究并非声称演示了某种特定的量子器件，而是将 EuSe 确定为一个多功能的平台，适用于未来的量子磁子学和自旋电子学应用。

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