在自旋电子学器件领域，精准调控磁矩方向是其高效运行的关键，这一过程往往涉及复杂的磁矩翻转等动力学现象。而磁动力学的时间尺度与能量耗散等核心性能指标，皆由磁阻尼（又称吉尔伯特阻尼）这一关键材料参数所主导。长期以来，磁阻尼的微观机制及其有效调控策略一直是自旋电子学研究的重点与难点问题，如何实现对磁阻尼的高效调控以及开发低阻尼磁性材料始终存在诸多争议与挑战，其根源在于对磁阻尼关键物理过程的理解尚不深入，即自旋角动量如何通过与轨道自由度的耦合而发生耗散。

近日，复旦大学物理学系吴义政教授课题组与理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授课题组开展深度合作，首次清晰揭示了磁动力学中自旋角动量耗散的微观过程，阐明了轨道激发在自旋耗散中发挥的关键作用，并进一步精准解析出铁的费米面不同电子能带对磁阻尼的具体贡献。通过测量铁薄膜中量子阱态调制的磁阻尼量子振荡周期，研究团队成功确认了对铁的磁阻尼起主要贡献的电子能带。

研究团队基于转矩关联模型，结合第一性原理计算，首次实现磁阻尼的能带分辨。计算结果表明，在体心立方铁中，布里渊区H点附近的Δ₅能带（具有纯自旋态特征）是磁阻尼的主要耗散通道（图1）。其原因是该能带强烈的t2g轨道杂化，在磁矩进动时通过自旋-轨道耦合激发了非平衡轨道角动量，进而形成"自旋→轨道→晶格"的多级耗散路径。这一发现成功解释了富铁合金（如FeCo，FeAl，FeV）中由于该能带被占据而表现出的极低阻尼现象。

图1. (a) Fe在ΓH路径上的能带。(b) k-分辨的带内阻尼投影贡献（以TCM模型里的自旋轨道矩矩阵元|Γ_nn^-(k)|²表征）。(c) 每条能带在费米面上对阻尼的平均贡献。(d)Δ₅^⬆带的轨道组分（t2g）在不同磁矩方向下的变化。

为了进一步验证Δ₅能带的主导作用，研究团队制备了厚度在1 - 7纳米范围内连续变化的单晶铁薄膜，并借助高精度铁磁共振实验，测得在低温条件下磁阻尼随薄膜厚度呈现出量子振荡现象，振荡周期为1.26±0.05 nm。这一数值与理论计算得出的磁阻尼振荡周期（1.28 nm）高度吻合，且与Δ₅能带的量子阱态周期（1.26 nm）一致。这一结果首次从实验角度证实能带量子阱态对宏观磁动力学的调制作用（图2），并确立了利用量子振荡分辨不同能带对宏观物理量贡献的全新研究范式，为调控磁阻尼以及开发高性能自旋存储器件提供了关键理论支撑，同时也为深入理解轨道角动量的激发和耗散过程、研究复杂磁性体系中轨道流输运开辟了新的视角。

图2. (a)实验样品示意图。(b) 实验测得的低温下阻尼振荡现象与理论计算吻合。

相关成果以"Orbital-Excitation-Dominated Magnetization Dissipation and Quantum Oscillation of Gilbert Damping in Fe Films"为题发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 134, 136701 (2025)]，并被选为当期“编辑推荐”文章。袁喆课题组博士生陈越与吴义政课题组博士生陈浩然为论文的共同第一作者，吴义政教授和袁喆教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等经费的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.136701