自旋波(磁振子)的传输介质是磁有序材料，不同的磁性材料具有各自的优缺点。如何有效地结合两种磁性能截然不同的材料的优点，使自旋波能在这两种材料中高效地相互传输、转换，这一问题激发了学术界近两年对于铁磁双层薄膜中“磁振子-磁振子”耦合的研究兴趣。“磁振子-磁振子”的耦合强度可以通过相互耦合的两种模式的频率劈裂程度(Δω)表征。在过去的研究中，研究者广泛采用的模型是“宏观自旋近似”，即将界面处的层间耦合(IEC)作用平均到整层薄膜厚度上，而海森堡交换模型描述的是最近邻自旋电子之间的相互作用。一个需要解决的问题便是，界面处局域的IEC如何影响铁磁双层结构的自旋波谱和“磁振子-磁振子”耦合。

(a)双层薄膜耦合研究模型示意图；(b)自旋波频谱随耦合强度变化；(c)交换耦合强度J = 0.2 mJ/m²时双层薄膜中各种模式自旋波强度厚度分布；(d)频谱劈Δω裂随耦合强度变化。

针对这一问题，我们根据色散关系、Hoffmann边界条件和能流守恒定律，结合微磁模拟，对铁磁双层结构的自旋波谱进行了分析。结果发现其中的量子化垂直驻波(PSSW)的量子数不再是整数。同时，在弱耦合情况下Δω随耦合强度线性增加，这一结论与“宏观自旋近似”模型一致；而在强耦合条件下，Δω趋于饱和，但更高阶PSSW发生了显著的频率漂移。该工作有助于进一步理解“磁振子-磁振子”耦合的物理机制，拓宽了精确测量层间耦合强度的范围，为基于“磁振子-磁振子”耦合机制的自旋波器件设计奠定了基础。

该工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金面上项目的资助。

论文链接：

Phys. Rev. B 103, 104420 (2021).