科学家开发出“声学二极管”原理：能控制声波在某一个方向传播！

在最新发表在《科学进展》期刊上的一项研究中，由理研应急物质科学中心（CEMS）科学家领导的一个研究小组，利用磁旋转耦合原理抑制了声波在薄膜表面一个方向的传播，同时让声波在另一个方向上传播，这可能促进致声学整流器的发展，这种设备能让声波在一个方向上优先传播，在通信技术中具有潜在的应用，被称为整流器的设备在技术发展中极其重要。

最著名的是电子二极管，它用来将交流电转换成直流电，基本上使通电成为可能。在目前的研究中，该研究小组在磁性薄膜中检查了声波表面波的运动-声音运动，就像地震在地球表面的传播一样。表面声波和自旋波之间存在相互作用，即材料内部磁场中的干扰可以通过材料。声波表面波可以通过两种方式激发自旋波，一种是磁弹性耦合，有很好的记录。

然而，40多年前，这项研究的作者之一前川贞一(Sadamichi Maekawa)提出了第二种方法：即磁旋转耦合，但直到现在才得到实验验证。在目前的研究中，研究发现这两种机制同时发生，但强度不同。发现，当磁性样品的磁化方向与表面声波旋转方向相同时，声波表面波的能量会更有效地传递给自旋波，从而增加磁化的旋转。事实上，研究人员能够识别出一种单向耦合的结构。

在这种结构中，只有一个方向的表面声波的能量可以转移到磁化的旋转上。同时研究人员还注意到，当磁性材料表现出磁各向异性时，这种整流效应更加明显，这意味着即使在施加外部磁场之前，内部磁化就有一个更好的方向。研究的第一作者、理研应急物质科学中心（CEMS）的徐明然(Mingran Xu)表示：能够证明磁旋耦合现象确实存在，并且可以用来完全抑制声能在一个方向上的运动，这是非常令人兴奋的。

同样来自日本理化学研究所（RIKEN）应急物质科学中心（CEMS）的豪尔赫·普埃布拉(Jorge Puebla)表示：我们希望能利用这项研究来创造一种‘声学二极管’，相当于非常重要的电子二极管，我们可以相对容易地制造出一种设备，声能在一个方向上有效转移，而在另一个方向上被阻挡。这发生在微波频率上，这是5G通信技术感兴趣的范围，因此表面声波可能是这项技术的一个有趣候选者。

磁振子，是声子相互作用一种基本形式是磁性材料的固有属性，即“磁弹性耦合”。这种相互作用形式一直是描述磁致伸缩材料及其应用的基础，其中应变会引起内部磁场的变化。与磁弹性耦合不同的是，早在40多年前，就有人提出声表面波可以通过各向异性磁体中晶格的旋转运动来诱导表面磁子。然而，这种称为磁旋耦合的磁振子-声子耦合机制的特征一直难以捉摸。

本研究首次报道了垂直各向异性薄膜Ta/CoFeB(1.6纳米)/MgO中磁旋耦合的观测和理论框架，在理论预测的优化条件下，它导致了非互易声波的衰减，其整流率达到了前所未有的100%，研究不仅从实验上证明了研究磁振子-声子耦合的一条新途径，而且也证明了磁旋耦合应用的可行性。

博科园｜研究/来自：日本理化学研究所

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb1724

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