在磁子学中，实现基于自旋波的单向信息传输是设计各种功能器件的关键。到目前为止，已经有多种机制被证实可以实现磁子的单向传播，如磁偶极相互作用诱导的Damon-Eshbach表面磁子模式，Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用导致的非互易自旋波，以及磁子拓扑绝缘体产生的手性边界态等。但是这些工作都是针对普通磁子所展开，很少有文章讨论携带轨道角动量的涡旋磁子的单向传播特性。相较于普通磁子，涡旋磁子由于具有额外的轨道角动量自由度，有望表现出更奇特和丰富的物理。

图1：涡旋磁子的单向传播。

与中南大学李志雄老师合作，我们理论研究了一维磁性纳米圆盘阵列中涡旋磁子的集体动力学。分析表明，对于平直的晶体结构，系统出现了几条完全对称的涡旋磁子能带，每一条能带描述不同的磁子模式，这些能带可以用一个简单的交换模型来解释。有趣的是，当我们考虑锯齿状的晶格结构时，涡旋磁子的色散关系表现出明显的不对称性，这些不对称的能带来源于一种几何效应，即涡旋磁子的相位差与纳米圆盘间几何夹角不匹配时，磁子的传输出现非互异性。利用这种几何效应，我们可以实现携带任意非零轨道角动量的涡旋磁子的单向传播。进一步地，我们展示了涡旋磁子的传播方向可以通过改变轨道角动量的符号和激发场的位置进行调控（如图1所示）。我们的研究结果提供了一种简单有效的方法来控制涡旋磁子的传播，有望推动涡旋磁子学的发展。

该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：

Phys. Rev. B 109, 024428 (2024).