近年来，人们在光学、电子学、声学和中子等系统中观察到了奇异的涡旋态结构。由于这些(准)粒子携带量子化的轨道角动量，它们吸引了不同领域的广泛关注，可以应用于信息的编码，实现高容量的通信和计算。最近，轨道角动量态的概念也被扩展到磁有序系统中，即所谓的涡旋磁子(或扭曲磁子)。在磁子自旋电子学中，磁子作为载体，能够用来记录、处理和传输信息。对于普通的磁子，利用频分复用，我们可以增强磁子的通信能力。而涡旋磁子具有比普通磁子更多的自由度(涡旋相位)，利用涡旋磁子的相结构来编码信息，有望实现基于频分复用的超高容量通信。此前，人们用来产生涡旋磁子的方法异常复杂，这严重阻碍了涡旋磁子的实际应用，如何简单而有效地产生涡旋磁子成为亟待解决的科学问题。

图1：平面自旋波转化为涡旋自旋波示意图。

我们在理论上研究了涡旋磁子在磁性纳米圆盘阵列中的产生和传播。通过引入自旋-轨道角动量转化机制，我们提出了一种非常简单和有效的方法来产生任意径向和角向量子数的涡旋磁子态(图1)。我们进一步计算了由平面磁子转化为涡旋磁子的效率，发现这种转化效率对涡旋磁子所携带的量子数不敏感，近似稳定在一个常数值。另外，我们还研究了涡旋磁子在磁性纳米圆盘阵列中传播特性，提出了频分复用的概念。我们的结果为实现基于涡旋磁子的高容量通信建立了关键理论基础。

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资助。

论文链接：

Phys. Rev. B 105, 174433 (2022).