近日，我系青年教师王煜副教授在“铁磁材料自旋波色散关系的温度效应研究”中取得新进展，相关成果发表于Appl. Phys. Lett. 129, 042404, 2026。王煜副教授为论文第一作者和通讯作者，合作作者包括课题组研究生雷磊、彭其龙、刘超凡，宁波大学徐涛教授，以及浙江大学王杰教授（见图1）。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0339846
图1
研究背景
铁磁薄膜中的自旋波是磁矩的非一致集体进动，具有THz频率、纳米波长、非互易传播、相干性好以及不产生焦耳热等特点，被认为是下一代自旋电子器件中极具潜力的信息载体。以往研究大多在磁化强度大小保持不变的假定下，忽略磁化的热涨落，考察外加磁场与相互作用对自旋波的影响。然而，温度是控制磁化本征特性的重要因素，但它如何影响自旋波的传播特性，长期没有明确答案：微磁学理论上难以把磁化强度大小的热涨落纳入磁化动力学的进动过程，实验上也难以测量磁化强度大小的局域演化，该问题因此成为自旋波研究中的一个瓶颈。
主要创新点
本研究采用基于 Ginzburg–Landau 理论的考虑温度效应的相场方法，把磁化强度大小的温度依赖与磁化的进动动力学统一在同一理论框架内，系统探究了外磁场方向与自旋波波矢垂直（case 1）和共面（case 2）两种模式、不同温度下的自旋波传播特性（见图2）。主要创新点有以下三个方面。
图2. 研究示意图：外磁场垂直于自旋波波矢（case 1）和平行于波矢（case 2）两种传播模式
创新点一
提出了包含温度效应的多场耦合磁化动力学相场理论与模拟方法
基于 Ginzburg–Landau与微磁学理论，把包含多场耦合效应的自由能泛函通过有效场引入磁化动力学 Landau–Lifshitz–Gilbert（LLG）方程。其中，磁化的温度效应通过对原子磁矩微观热涨落（Langevin 场）的热力学平均所得的 Landau 能引入总自由能。因此，本研究提出了连续的、统一的基于热力学的多场耦合磁化动力学的相场理论。
创新点二
提出了包含温度效应的解析自旋波色散关系，与相场模拟结果吻合一致
由线性化的 LLG 方程可以解析得到两种模式下自旋波的二次色散关系，其二次项、线性项与截距项都显式包含磁化强度大小 M。外磁场与波矢垂直时，色散关系关于 q = 0 对称，自旋波保持互易，而外磁场与波矢平行时，自旋波出现非互易传播。
由于磁化大小由温度、磁场与 磁相互作用等共同决定，色散关系的所有系数都随温度变化，这突破了以往把色散方程系数视为常数的瓶颈。将解析结果与相场模拟数据的二维快速傅里叶（2D-FFT）分析结果逐温度对比，两者在整个波矢范围内吻合一致，表明该解析色散关系可以定量描述温度相关的自旋波色散（见图3）。
图3. 5 K 与29 K 时自旋波传播 (a-b)，以及由二维快速傅里叶分析得到的色散谱与解析色散关系（红点）的对比 (c-d)
创新点三
揭示了自旋波刚度、非互易传播、能隙等特性的温度效应的热力学机理，自旋波刚度的温度依赖与实验数据吻合一致
本研究结果表明，温度升高使磁化强度减小，自旋波刚度随之下降。结果与实验报道的自旋波刚度随温度下降的趋势一致，在接近居里温度（29.5 K）时仍保持定量的吻合（见图4）。值得注意的是，若只考虑 Landau 能，磁化强度在居里温度附近趋近于零，自旋波刚度也会降为零；而实验中居里温度附近的自旋波刚度仍保持在 30 meV Ų 左右。本研究表明磁化强度的大小是自由能中各分量竞争的结果，因而在接近居里温度时也不会消失，这是以往假定磁化强度大小不变的模型难以描述的。此外，由于 DMI 的作用，当外磁场平行于波矢时，色散关系中的线性项使色散曲线的对称轴偏离 q = 0，即同一频率的自旋波在正、负方向上的波长不同，两个方向能够传播的临界（激发）频率也不同，形成明显的非互易传播。最后，色散方程的截距项对应自旋波能隙，也具有显著的温度效应。由于两种模式自旋波的磁化平衡态分别平行和垂直于螺旋波矢，两种模式下能隙随温度的变化趋势相反，因此温度既可能提高、也可能降低自旋波的最低激发频率。这些结果表明，温度、外磁场与磁相互作用等可以协同调控自旋波的传播与激发。
图4. 不同温度的自旋波色散关系（a）、自旋波刚度与实验结果的对比（b）以及能隙（截距项）的温度依赖（c）
未来价值
1 首先为自旋波特性提供了新的调控维度
以往研究主要通过外磁场与磁相互作用调节自旋波的传播方向，本研究把磁化强度大小的热涨落引入自旋波研究，并从热力学与微磁动力学的角度阐明了温度影响自旋波色散的机制。所给出的温度相关色散方程可以直接描述温度对自旋波波长、频率、群速度和能隙等自然属性的影响，为自旋波器件的设计与性能评估提供了定量的理论依据。
2 提出的色散关系提供了材料参数表征的新途径
方程中线性项的系数正比于 DMI 常数，截距项则同时包含外磁场、DMI 与磁化强度，因此既可由共面波导测得的非互易频差反推 DMI 系数，也可由铁磁共振测得的零波矢频率得到 DMI 与能隙。这为薄膜材料的参数测量与自旋波实验分析提供了新的理论工具。
3 建立的方法框架还可以推广到更广泛的磁动力学问题
温度相关的相场模型在连续介质尺度上与原子尺度的原子 LLG、蒙特卡洛-LLG 等模型在物理上一致、互为补充，具有计算效率高、可直接使用实验热力学参数、便于多场耦合扩展等优势。基于磁化强度大小的热涨落，铁磁共振、斯格明子动力学以及斯格明子与自旋波的动态耦合等一系列磁动力学行为的温度效应也有望得到预测。根据 Ginzburg 判据，在居里温度附近的温区还需要进一步引入局域热噪声，研究线宽展宽及其对自旋波相干传播长度和寿命的影响，这是该模型下一步可以直接拓展的方向。相关结果对物理学、材料科学和力学等学科具有参考价值，也为有限温度下自旋电子器件的设计与评估提供了新的理论出发点。
该研究得到了国家自然科学基金（No. 12402194）、湖南省自然科学基金（Nos. 2026JJ40005、2025JJ60053）和英国上市公司官网365科研启动经费的支持。
作者简介
王煜，男，1995年9月出生，英国上市公司官网365力学系副教授，硕士生导师。2017 年获湖南大学工程力学学士学位，2020 年获浙江大学固体力学硕士学位，2023 年获日本京都大学博士学位；主要从事电磁智能材料多场耦合力学研究，近期研究兴趣涵盖自旋电子学与量子器件、拓扑微结构应变工程、智能材料多场耦合断裂力学等，在 Science Bulletin、Acta Materialia、Int. J. Mech. Sci.、Int. J. Solids Struct.、Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.、ACS Nano、固体力学学报等期刊上发表多篇高水平论文篇；主持国家自然科学基金委员会青年项目、湖南省自然科学基金青年项目、青年B类项目，参与国家自然科学基金委员会面上项目、日本学术振兴会科研费项目研究多项；担任中国力学学会会员、 Journal of Railway Science and Technology (JRST) 期刊青年编委、Springer Nature、Elsevier（如Acta Materialia）、APS和ACS系列国际期刊的审稿人。
期刊简介
《Applied Physics Letters》（APL）是美国物理联合会（AIP）于1962年创办的周刊，也是应用物理领域的旗舰期刊及自然指数（Nature Index）期刊。期刊致力于快速发表连接物理现象与工程技术的高影响力前沿成果，涵盖半导体、量子技术、光学、能源材料及生物物理等广泛方向。该刊学术影响力深厚，H-index高达498，2026年影响因子为3.8，以高效传播关键数据和全新物理见解著称。
来源：CSU力学系公众号
文案：王煜 饶庆玲
责编：徐方
审核：侯文崎