磁弹耦合效应可以对物质磁性有显著影响，宏观表现为磁致伸缩和应力磁各向异性。对前者的研究可追溯到1842年焦耳在铁中发现的磁致伸缩效应，该效应已经被广泛应用于声波和超声探测领域。另一方面，应力磁各向异性有助于在磁性薄膜中实现垂直各向异性。近年来，人们开始尝试揭示磁弹耦合效应的微观机制，目前该领域成为凝聚态物理的研究热点。磁弹耦合效应使声子（格波）与磁振子（自旋波）发生相互作用，当声子和磁振子的能量和动量相近，两者将耦合形成一种新的准粒子——磁振子极化子，如图1所示。该准粒子的色散关系和弛豫机制不仅影响磁振子流和自旋流的产生和传输，还与声子和磁振子的散射机制密切相关，包含丰富的物理信息。自最初提出磁振子极化子理论以来，大量中子散射和布里渊光散射实验对其色散关系进行了深入的研究，而对其弛豫机制的理解还局限于杂质散射，忽略了重要的非弹性散射机制。论文作者经过深入探索，提出可以通过输运测量研究磁振子极化子的弛豫时间，并采用自旋塞贝克效应(Spin Seebeck Effect)产生的电压信号表征磁振子极化子的弛豫时间。研究结果发现磁振子尤其是四磁振子散射对磁振子极化子弛豫时间有重要影响，在很高精度上验证了传统磁振子极化子的弛豫理论。
该工作利用YIG具有低磁性阻尼系数的优点，围绕YIG/Pt异质结中自旋塞贝克效应开展研究。如图2所示，随着测量温度升高，自旋塞贝克电压会在高磁场下，得到增强或者抑制。该现象依赖于磁振子和声子散射率的竞争结果。低温下，散射主要由杂质贡献，当声子散射率大于磁振子散射率时，耦合效应使得磁振子极化子弛豫时间减小，磁振子极化子流被抑制，自旋塞贝克电压呈现谷。反之，在高温时，由于磁振子散射率随温度上升增加更快，并在250 K以上超过声子的散射率，此时对磁振子极化子流产生增强，自旋塞贝克电压线形呈现为峰。进一步实验表明，如果低温时满足磁振子散射率大于声子散射率，则自旋塞贝克电压在所有温度下均得到增强，线形呈现为峰。综上所述，我们的实验说明磁振子极化子的弛豫机制可以用散射率的权重平均很好解释，非弹性散射在理解磁振子极化子的弛豫机制中十分重要，这将为研究磁振子相关散射和提高材料磁弹耦合效应提供新的思路。
相关研究成果“Role of Magnon-Magnon Scattering in Magnon Polaron Spin Seebeck Effect”于2021年12月29日发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 127, 277203 (2021)]上。同济大学是论文的第一单位，论文的第一和第二作者分别是同济大学物理科学与工程学院时钟副教授和席晴博士，物理科学与工程学院时钟副教授，南京师范大学周俊教授和美国加州大学河滨分校Jing Shi教授是该论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金支持，同时得到同济大学周仕明教授很多讨论和帮助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.277203