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NUS & KAIST團隊揭示磁振子“反常壽命反轉”，托托科技Kerr顯微鏡助力自旋新發現

近日，新加坡國立大學電子與計算機工程系Hyunsoo Yang教授團隊聯合韓國科學技術院物理系Kyung-Jin Lee教授團隊，在自旋電子學領域取得新進展，該研究成果以“Inversion of magnon lifetime of ferromagnetic and exchange resonance modes in ferrimagnets”為題發表在《Nature Communications》上。

該研究系統探索了亞鐵磁材料CoGd中兩種本征自旋共振模式——鐵磁共振（FMR）模式和交換共振（EXR）模式的磁振子壽命行為。實驗發現，在角動量補償點附近，高頻的交換共振模式反而展現出比低頻鐵磁共振模式更長的磁振子壽命，打破了“頻率越高、壽命越短”的傳統認知。

在這一突破性研究中，托托科技（TuoTuo Technology）的磁光克爾顯微鏡為磁性薄膜的磁滯回線表征提供了關鍵測量支持，為確定材料的磁化補償點與角動量補償點奠定了實驗基礎。

研究背景：高頻與長壽命的矛盾

在阻尼諧振子體系中，頻率與壽命通常呈反比關系。這一規律同樣適用于磁化振蕩體系：反鐵磁體雖具有更高的共振頻率，但其磁振子壽命遠短于鐵磁體，限制了其在高速、低功耗自旋器件中的應用。

亞鐵磁材料兼具鐵磁與反鐵磁特性，存在兩種本征共振模式：低頻的鐵磁共振模式（GHz量級）與高頻的交換共振模式（亞THz量級）。交換共振模式因頻率更高，理論上更適用于高速信息處理。然而，按照傳統認知，其壽命應遠短于鐵磁共振模式，這成為制約其應用的核心瓶頸。

技術創新：打破頻率-壽命反比關系

研究團隊以典型亞鐵磁材料CoGd為研究對象，通過調節組分與溫度，精確調控磁化補償點與角動量補償點。結合準靜態磁光克爾（MOKE）磁滯回線和時間分辨磁光克爾效應（TR-MOKE）光譜，同時探測交換共振與鐵磁共振兩種模式的動力學行為。

圖. 時間分辨磁光克爾效應測量亞鐵磁磁振子動力學的實驗示意圖和實驗結果

通過溫度調控接近角動量補償點（225 K），研究人員觀察到關鍵現象：高頻交換共振模式的壽命逐漸增長，并最終超過低頻鐵磁共振模式，兩條壽命曲線發生交叉。

圖. 不同溫度下磁振子頻率與壽命的演化，在補償點附近顯示壽命反轉及阻尼機制

從物理機制上看，亞鐵磁具有不同阻尼常數的子晶格，且在不同模式中阻尼項的合成方式不同。在鐵磁共振模式中，阻尼效應同向疊加，因此整體耗散增強，壽命縮短。而在交換共振模式中，由不同阻尼常數導致的阻尼貢獻會發生抵消，從而降低有效阻尼，最終導致壽命反轉。

該工作揭示了在單一材料體系中同時實現高頻與長壽命磁振子的全新機制，為突破傳統自旋動力學限制提供了重要思路。通過調控亞鐵磁補償點附近的動力學特性，有望為高速、低功耗自旋電子器件以及磁振子信息傳輸技術帶來新的發展路徑。

實驗驗證：托托科技Kerr顯微鏡的關鍵貢獻

為了準確確定不同組分CoGd薄膜的磁化補償點與角動量補償點，研究團隊對多個樣品進行了磁滯回線表征。實驗采用托托科技的磁光克爾顯微鏡進行極向磁光克爾效應（polar MOKE）測量，結合振動樣品磁強計（VSM）數據，成功提取了飽和磁化強度與矯頑力隨組分的變化曲線。

圖. CoGd亞鐵磁薄膜補償點附近的磁學性質表：Ms，Hc，R_AHE

基于磁光克爾顯微鏡獲得的矯頑力峰值與磁化強度最小值，研究團隊精確鎖定了CoGd薄膜在室溫下的磁化補償點（組分Gd ~25%），角動量補償點（組分Gd ~23%）。這一部分數據為后續TR-MOKE動力學測量提供了關鍵的前提條件。

托托科技磁光克爾顯微鏡：精準表征磁性薄膜

托托科技的磁光克爾顯微鏡專為磁性薄膜與自旋電子學材料設計，具備以下核心優勢：

設備搭載Digital Oblique®光學系統，傾斜角度的控制精度更可達到0.03°，無需手動調控，可完成全自動系統優化，測量重復性高。可探測低至2nm面內薄膜信號和1個原子層厚度的垂直各向異性薄膜。另外，設備具備優于0.5μm的顯微磁疇空間分辨率，能清晰分辨納米疇壁與磁疇陣列。

設備同時支持直流、脈沖、微波及光驅動等多激勵源，并能同步觀測磁疇動態，一站式實現電、磁、光信號的關聯采集與分析。

一項突破性成果的背后，離不開每一個關鍵實驗環節的精準支撐。
托托科技很榮幸能夠為本研究團隊提供高精度磁光克爾顯微鏡，助力其在自旋動力學前沿領域取得重要發現。

托托科技Kerr顯微鏡助力自旋新發現，未來，托托科技將繼續深耕磁光表征技術，為自旋電子學、磁性材料、MEMS、量子器件等前沿領域的科研工作者提供可靠、精準、高效的測量與制造平臺，助力更多“從0到1”的突破。

DOI: 10.1038/s41467-026-69453-6