近日，上海科技大学拓扑物理实验室/量子功能材料全国重点实验室张石磊课题组与中国科学院物理研究所于国强课题组联合发展了一种全新的自旋动力学表征方法——X射线磁矩时序重构技术（XMVC），在超快时间尺度下实现了自旋时空演化过程的完备观测，磁矩矢量的角度分辨率达到0.1˚。该成果以“Reconstruction of the Magnon Eigenfunctions by X-Ray Magnetic Vector Chronoscopy”为题发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）。
在磁性体系中，自旋动力学通常由一组复值本征函数描述，即体系的动态响应可以表示为若干具有确定频率和相干相位关系的矢量场进动模式。然而，传统磁学表征方法主要测量体系的本征频率/本征值，难以获取本征模式/本征函数，即磁矩矢量的时空演化信息。这导致动力学相位、进动轨迹及模式间相干关系等关键信息缺失，成为复杂磁学问题研究的瓶颈。例如，在经典的人工合成反铁磁结构(SAF)中，磁振子之间的耦合与杂化过程决定了系统的动力学性质和非厄密性。然而，以测量本征频率为主的传统谱学手段无法对其进行完整的刻画。
针对这一挑战，研究团队发展了X射线磁矩时序重构技术(XMVC)。如图1所示，该方法结合共振弹性X射线散射对磁矩的矢量敏感性与频闪观测的时间分辨测量原理，通过实验装置优化与迭代算法设计，实现了磁矩时空演化轨迹的矢量场重构，获得了磁振子复值本征函数的完整信息。针对SAF体系，研究团队利用XMVC成功“拍摄了”其磁动力学模式中声学支与光学支的自旋矢量场“电影”。结果表明，这些模式在整个参数空间中均呈现出显著的杂化特征，而非传统理解下的正交本征态。基于此，研究团队实现了对二能级磁振子体系的“态层析”（magnon state tomography）——即对本征态在不同基底中的展开关系进行完备重构，并反演出体系的复值非厄米哈密顿量。
图1： XMVC的测量原理示意图
本研究首次展示了XMVC在研究磁性材料和磁学问题中的关键作用，揭示了其在自旋电子学和磁动力学研究中的潜在价值。上海科技大学为该项研究的第一完成单位，中国科学院物理研究所、英国钻石光源、牛津大学为该工作的共同合作单位。上海科技大学物质学院博士后金浩楠、中国科学院物理研究所博士后王宇强、物质学院2022级本科生何信颐为文章共同第一作者，中国科学院物理研究所于国强研究员与物质学院张石磊教授为文章的通讯作者。
论文标题：Reconstruction of the Magnon Eigenfunctions by X-Ray Magnetic Vector Chronoscopy
沪公网安备 31011502006855号