近日，上海科技大學(xué)物質科學(xué)與技術學(xué)院陸衛教授課題組在光子-磁子相互作用及強耦合調控方向(xiàng)取得重要進(jìn)展。研究團隊首次在鐵磁絕緣體單晶中發(fā)現了一種(zhǒng)全新的磁共振，命名爲光誘導磁子态，此項發(fā)現爲磁子電子學(xué)和量子磁學(xué)的研究打開(kāi)了全新的維度。研究中揭示的新型磁子強耦合物态，能(néng)極大改變鐵磁單晶的電磁特性，爲光子與磁子的糾纏提供新的思路，這(zhè)對(duì)推動磁子在微波工程和量子信息處理中的應用具有重要作用。該成(chéng)果發(fā)表于物理學(xué)領域旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

       芯片的研發(fā)主要遵循著(zhe)摩爾定律，即每 18 個月到兩(liǎng)年間，芯片的性能(néng)會(huì)翻一倍。然而，随著(zhe)人類社會(huì)逐漸步入後(hòu)摩爾時(shí)代，一味降低芯片制程受到了“極限挑戰”。處理器性能(néng)翻倍的時(shí)間延長(cháng)，“狂飙”的發(fā)展勢頭遇到了技術瓶頸。在市場需求驅動下，人們迫切需要“新鮮血液”的注入，來激活低功耗、高集成(chéng)化、高信息密度信息處理載體的出路。基于磁性材料發(fā)展建立的自旋電子學(xué)以及磁子電子學(xué)發(fā)展迅猛，爲突破上述限制提供了出路。

       宏觀磁性的起(qǐ)源主要是材料中未配對(duì)的電子。電子有兩(liǎng)個衆所周知的基本屬性：電荷與自旋。前者是所有電子器件操控的對(duì)象。利用電子電荷屬性發(fā)展的微電子器件，已經(jīng)引發(fā)了信息産業的革命。然而，面(miàn)對(duì)難以抑制的歐姆損耗，以及信息産業對(duì)更高密度存儲和先進(jìn)量子計算的渴求，人們迫切希望進(jìn)一步利用電子自旋作爲信息載體，發(fā)展自旋電子學(xué)器件，進(jìn)而繼續推動信息技術的發(fā)展。尤其是磁性絕緣體中的自旋，它們能(néng)夠完全避免傳導電子的歐姆損失，充分發(fā)揮自旋長(cháng)壽命、低耗散的優勢，因此對(duì)于開(kāi)發(fā)自旋電子學(xué)器件意義重大。磁子态是電子自旋應用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集體激發(fā)。它不僅可以高效傳遞自旋流，還(hái)可以與不同的物理體系，例如聲子、光子、電子等，發(fā)生相互作用，進(jìn)而重塑材料的聲光電磁等物性。此外，磁子還(hái)可以與超導量子比特相互作用，在量子信息技術中發(fā)揮重要作用。正是由于這(zhè)些性質與應用潛力，近年來關于磁子的研究引起(qǐ)國(guó)際學(xué)界的高度關注，磁子電子學(xué)、量子磁電子學(xué)等新興領域相繼誕生。

       鐵磁絕緣體單晶球中的磁子态，最早于 1956 年由美國(guó)物理學(xué)家 Robert L. White 和 Irvin H. Slot Jr.在實驗中發(fā)現。根據他們的實驗結果，同一年 L. R. Walker 給出了磁性塊體空間受限磁子态的數學(xué)描述，稱爲 Walker modes。在随後(hòu)長(cháng)達 70 年中，塊體磁性材料中研究的磁子态幾乎都(dōu)屬于 Walker modes 範疇。陸衛教授團隊的發(fā)現突破了這(zhè)一範疇，發(fā)掘了新的磁子态。在低磁場下，鐵磁絕緣體單晶球在受到強微波激勵時(shí)，内部的非飽和自旋會(huì)獲得一定的協同性，産生一個與微波激勵信号同頻率振蕩的自旋波（圖 (a)），該自旋波可被(bèi)稱爲“光誘導磁子态（pump-induced magnon mode, PIM）”。光誘導磁子态如同一種(zhǒng)“暗”态，無法按傳統探測方法直接觀測，但可通過(guò)其與 Walker modes 強耦合産生的能(néng)級劈裂被(bèi)間接觀察到（圖 (b)）。光誘導磁子态的有效自旋數受激勵微波調控，因此當改變激勵微波的功率時(shí)，耦合劈裂的大小會(huì)按照功率四分之一次方的關系變化（圖 (c)），展現出和常規 [**]utler-Townes 劈裂不一樣(yàng)的功率依賴關系。此外，研究團隊還(hái)發(fā)現光誘導磁子态具有豐富的非線性，這(zhè)種(zhǒng)非線性會(huì)産生一種(zhǒng)磁子頻率梳（圖 (d)）。相較于微波諧振電路中産生的頻率梳，這(zhè)一絕緣體中産生的新型頻率梳不存在電子噪聲，因此有望在信息技術中實現超低噪聲的信号轉換。

       “常規磁子強耦合态依賴于諧振腔才能(néng)構建，當諧振腔換成(chéng)開(kāi)放器件，衆所周知強耦合特征會(huì)悉數消失。我們則擺脫了這(zhè)一依賴，通過(guò)外加微波誘導，即可産生磁子強耦合态。這(zhè)樣(yàng)的開(kāi)放邊界下的耦合态有望像樂高一樣(yàng)有序組合，獲得豐富的功能(néng)性。”團隊負責人陸衛教授表示，“頻率梳就(jiù)像是一把遊标卡尺，能(néng)夠精準的測量頻譜上的風吹草動。利用這(zhè)個原理，光頻梳在原子鍾、超靈敏探測中展現了令人驚歎的精度。我們發(fā)現的頻率梳在微波頻段，這(zhè)是雷達、通訊、信息無線傳輸使用的頻段，可以預測我們的頻率梳必然能(néng)在這(zhè)些領域中發(fā)揮作用。”

       來源：電子工程世界