Spin Control Controlling and manipulating the spin of an electron is a central requirement for applications in spintronics. Some of the challenges researchers are facing include efficient creation of spin currents, minimization of Joule heating, and extending the lifetime of electronic spins, which is especially important for quantum information applications. Costache and Valenzuela (p. 1645 ) address the first challenge by designing and fabricating an efficient and simple superconducting-based single-electron transistor that can produce spin current with controlled flow. Key to the design is asymmetric tunneling, which leads to a ratchet effect (or diode-like behavior), allowing the separation of up and down spins. Jonietz et al. (p. 1648 ) use electric currents five orders of magnitude smaller than those used previously in nanostructures to manipulate magnetization in a bulk material, MnSi, pointing the way toward decreased Joule heating in spintronic devices. This so-called spin-torque effect causes the rotation of the skyrmion lattice of spins, characteristic of MnSi, which is detected by neutron scattering. Finally, McCamey et al. (p. 1652 ) extend the short lifetime of an electronic spin of a phosphorous dopant by mapping it onto the much longer lived nuclear spin of the atom. Mapping the nuclear spin back onto the electronic spin allows production of a spin memory with a storage time exceeding 100s, which should prove useful for future practical applications.

Although electron motion is prohibited in magnetic insulators, the electron spin can be transported by magnons. Such magnons, generated and detected using all-electrical methods, are now shown to travel micrometre distances at room temperature. The transport of spin information has been studied in various materials, such as metals1, semiconductors2 and graphene3. In these materials, spin is transported by the diffusion of conduction electrons4. Here we study the diffusion and relaxation of spin in a magnetic insulator, where the large bandgap prohibits the motion of electrons. Spin can still be transported, however, through the diffusion of non-equilibrium magnons, the quanta of spin-wave excitations in magnetically ordered materials. Here we show experimentally that these magnons can be excited and detected fully electrically5,6,7 in a linear response, and can transport spin angular momentum through the magnetic insulator yttrium iron garnet (YIG) over distances as large as 40 μm. We identify two transport regimes: the diffusion-limited regime for distances shorter than the magnon spin diffusion length, and the relaxation-limited regime for larger distances. With a model similar to the diffusion–relaxation model for electron spin transport in (semi)conducting materials, we extract the magnon spin diffusion length λ = 9.4 ± 0.6 μm in a thin 200 nm YIG film at room temperature.

Spintronics relies on the transport of spins, the intrinsic angular momentum of electrons, as an alternative to the transport of electron charge as in conventional electronics. The long-term goal of spintronics research is to develop spin-based, low-dissipation computing-technology devices. Recently, long-distance transport of a spin current was demonstrated across ferromagnetic insulators1. However, antiferromagnetically ordered materials, the most common class of magnetic materials, have several crucial advantages over ferromagnetic systems for spintronics applications2: antiferromagnets have no net magnetic moment, making them stable and impervious to external fields, and can be operated at terahertz-scale frequencies3. Although the properties of antiferromagnets are desirable for spin transport4-7, indirect observations of such transport indicate that spin transmission through antiferromagnets is limited to only a few nanometres8-10. Here we demonstrate long-distance propagation of spin currents through a single crystal of the antiferromagnetic insulator haematite (α-Fe2O3)11, the most common antiferromagnetic iron oxide, by exploiting the spin Hall effect for spin injection. We control the flow of spin current across a haematite-platinum interface-at which spins accumulate, generating the spin current-by tuning the antiferromagnetic resonance frequency using an external magnetic field12. We find that this simple antiferromagnetic insulator conveys spin information parallel to the antiferromagnetic Néel order over distances of more than tens of micrometres. This mechanism transports spins as efficiently as the most promising complex ferromagnets1. Our results pave the way to electrically tunable, ultrafast, low-power, antiferromagnetic-insulator-based spin-logic devices6,13 that operate without magnetic fields at room temperature.

Spintronics and quantum information science are two promising candidates for innovating information processing technologies. The combination of these two fields enables us to build solid-state platforms for studying quantum phenomena and for realizing multi-functional quantum tasks. For a long time, however, the intersection of these two fields was limited. This situation has changed significantly over the last few years because of the remarkable progress in coding and processing information using magnons. On the other hand, significant advances in understanding the entanglement of quasi-particles and in designing high-quality qubits and photonic cavities for quantum information processing provide physical platforms to integrate magnons with quantum systems. From these endeavours, the highly interdisciplinary field of quantum magnonics emerges, which combines spintronics, quantum optics and quantum information science.Here, we give an overview of the recent developments concerning the quantum states of magnons and their hybridization with mature quantum platforms. First, we review the basic concepts of magnons and quantum entanglement and discuss the generation and manipulation of quantum states of magnons, such as single-magnon states, squeezed states and quantum many-body states including Bose-Einstein condensation and the resulting spin superfluidity. We discuss how magnonic systems can be integrated and entangled with quantum platforms including cavity photons, superconducting qubits, nitrogen-vacancy centers, and phonons for coherent information transfer and collaborative information processing. The implications of these hybrid quantum systems for non-Hermitian physics and parity-time symmetry are highlighted, together with applications in quantum memories and high-precision measurements. Finally, we present an outlook on the opportunities in quantum magnonics.

We develop a linear-response transport theory of diffusive spin and heat transport by magnons in magnetic insulators with metallic contacts. The magnons are described by a position dependent temperature and chemical potential that are governed by diffusion equations with characteristic relaxation lengths. Proceeding from a linearized Boltzmann equation, we derive expressions for length scales and transport coefficients. For yttrium iron garnet (YIG) at room temperature we find that long-range transport is dominated by the magnon chemical potential. We compare the model's results with recent experiments on YIG with Pt contacts [L.J. Cornelissen, et al., Nat. Phys. 11, 1022 (2015)] and extract a magnon spin conductivity of $\sigma_{m}=5\times10^{5}$ S/m. Our results for the spin Seebeck coefficient in YIG agree with published experiments. We conclude that the magnon chemical potential is an essential ingredient for energy and spin transport in magnetic insulators.

Abstract The coupling between a system and its environment (or bath) always leads to dissipation. We show, however, that a system composed of two subsystems can have a dissipation-free mode, if the bath is shared between the two subsystems. Reading in reverse, a shared bath does not contribute to the dissipation of all modes. As a key example, we consider a simple model for a two-sublattice antiferromagnet, where the environment is modeled by a bath that is shared between the two sublattice magnetizations. In our model, we find that the Néel order parameter is a dissipation-free mode. For antiferromagnets, our results offer an explanation for why the dissipation rate of the Néel vector is typically much lower than that of the average magnetization. In general, our results suggest a way to reduce dissipation (and decoherence) for some modes in composite systems, which could have experimental and technological applications.