科學(xué)家開發(fā)出“聲學(xué)二極管”原理：能控制聲波在某一個(gè)方向傳播！

在最新發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項(xiàng)研究中，由理研應(yīng)急物質(zhì)科學(xué)中心（CEMS）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，利用磁旋轉(zhuǎn)耦合原理抑制了聲波在薄膜表面一個(gè)方向的傳播，同時(shí)讓聲波在另一個(gè)方向上傳播，這可能促進(jìn)致聲學(xué)整流器的發(fā)展，這種設(shè)備能讓聲波在一個(gè)方向上優(yōu)先傳播，在通信技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用，被稱為整流器的設(shè)備在技術(shù)發(fā)展中極其重要。

最著名的是電子二極管，它用來將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，基本上使通電成為可能。在目前的研究中，該研究小組在磁性薄膜中檢查了聲波表面波的運(yùn)動(dòng)-聲音運(yùn)動(dòng)，就像地震在地球表面的傳播一樣。表面聲波和自旋波之間存在相互作用，即材料內(nèi)部磁場中的干擾可以通過材料。聲波表面波可以通過兩種方式激發(fā)自旋波，一種是磁彈性耦合，有很好的記錄。

然而，40多年前，這項(xiàng)研究的作者之一前川貞一(Sadamichi Maekawa)提出了第二種方法：即磁旋轉(zhuǎn)耦合，但直到現(xiàn)在才得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在目前的研究中，研究發(fā)現(xiàn)這兩種機(jī)制同時(shí)發(fā)生，但強(qiáng)度不同。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁性樣品的磁化方向與表面聲波旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，聲波表面波的能量會(huì)更有效地傳遞給自旋波，從而增加磁化的旋轉(zhuǎn)。事實(shí)上，研究人員能夠識(shí)別出一種單向耦合的結(jié)構(gòu)。

在這種結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)方向的表面聲波的能量可以轉(zhuǎn)移到磁化的旋轉(zhuǎn)上。同時(shí)研究人員還注意到，當(dāng)磁性材料表現(xiàn)出磁各向異性時(shí)，這種整流效應(yīng)更加明顯，這意味著即使在施加外部磁場之前，內(nèi)部磁化就有一個(gè)更好的方向。研究的第一作者、理研應(yīng)急物質(zhì)科學(xué)中心（CEMS）的徐明然(Mingran Xu)表示：能夠證明磁旋耦合現(xiàn)象確實(shí)存在，并且可以用來完全抑制聲能在一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，這是非常令人興奮的。

同樣來自日本理化學(xué)研究所（RIKEN）應(yīng)急物質(zhì)科學(xué)中心（CEMS）的豪爾赫·普埃布拉(Jorge Puebla)表示：我們希望能利用這項(xiàng)研究來創(chuàng)造一種‘聲學(xué)二極管’，相當(dāng)于非常重要的電子二極管，我們可以相對(duì)容易地制造出一種設(shè)備，聲能在一個(gè)方向上有效轉(zhuǎn)移，而在另一個(gè)方向上被阻擋。這發(fā)生在微波頻率上，這是5G通信技術(shù)感興趣的范圍，因此表面聲波可能是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)有趣候選者。

磁振子，是聲子相互作用一種基本形式是磁性材料的固有屬性，即“磁彈性耦合”。這種相互作用形式一直是描述磁致伸縮材料及其應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中應(yīng)變會(huì)引起內(nèi)部磁場的變化。與磁彈性耦合不同的是，早在40多年前，就有人提出聲表面波可以通過各向異性磁體中晶格的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來誘導(dǎo)表面磁子。然而，這種稱為磁旋耦合的磁振子-聲子耦合機(jī)制的特征一直難以捉摸。

本研究首次報(bào)道了垂直各向異性薄膜Ta/CoFeB(1.6納米)/MgO中磁旋耦合的觀測和理論框架，在理論預(yù)測的優(yōu)化條件下，它導(dǎo)致了非互易聲波的衰減，其整流率達(dá)到了前所未有的100%，研究不僅從實(shí)驗(yàn)上證明了研究磁振子-聲子耦合的一條新途徑，而且也證明了磁旋耦合應(yīng)用的可行性。

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博科園｜研究/來自：日本理化學(xué)研究所

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb1724

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