【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陸衛(wèi)教授課題組在光子-磁子相互作用及強耦合調(diào)控方向取得重要進(jìn)展。研究團隊首次在鐵磁絕緣體單晶中發(fā)現(xiàn)了一種全新的磁共振，命名為光誘導(dǎo)磁子態(tài)，此項發(fā)現(xiàn)為磁子電子學(xué)和量子磁學(xué)的研究打開了全新的維度。研究中揭示的新型磁子強耦合物態(tài)，能極大改變鐵磁單晶的電磁特性，為光子與磁子的糾纏提供新的思路，這對推動磁子在微波工程和量子信息處理中的應(yīng)用具有重要作用。該成果發(fā)表于物理學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
芯片的研發(fā)主要遵循著摩爾定律，即每18個月到兩年間，芯片的性能會翻一倍。然而，隨著人類社會逐漸步入后摩爾時代，一味降低芯片制程受到了“極限挑戰(zhàn)”。處理器性能翻倍的時間延長，“狂飆”的發(fā)展勢頭遇到了技術(shù)瓶頸。在市場需求驅(qū)動下，人們迫切需要“新鮮血液”的注入，來激活低功耗、高集成化、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，為突破上述限制提供了出路。
宏觀磁性的起源主要是材料中未配對的電子。電子有兩個基本屬性：電荷與自旋。前者是所有電子器件操控的對象。利用電子電荷屬性發(fā)展的微電子器件，已經(jīng)引發(fā)了信息產(chǎn)業(yè)的革命。
然而，面對難以抑制的歐姆損耗，以及信息產(chǎn)業(yè)對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為信息載體，發(fā)展自旋電子學(xué)器件，進(jìn)而繼續(xù)推動信息技術(shù)的發(fā)展。
尤其是磁性絕緣體中的自旋，它們能夠完全避免傳導(dǎo)電子的歐姆損失，充分發(fā)揮自旋長壽命、低耗散的優(yōu)勢，因此對于開發(fā)自旋電子學(xué)器件意義重大。
磁子態(tài)是電子自旋應(yīng)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，磁子還可以與超導(dǎo)量子比特相互作用，在量子信息技術(shù)中發(fā)揮重要作用。正是由于這些性質(zhì)與應(yīng)用潛力，近年來關(guān)于磁子的研究引起國際學(xué)界的高度關(guān)注，磁子電子學(xué)、量子磁電子學(xué)等新興領(lǐng)域相繼誕生。
鐵磁絕緣體單晶球中的磁子態(tài)，最早于1956年由美國物理學(xué)家Robert L. White和Irvin H. Slot Jr.在實驗中發(fā)現(xiàn)。根據(jù)他們的實驗結(jié)果，同一年L. R. Walker給出了磁性塊體空間受限磁子態(tài)的數(shù)學(xué)描述，稱為Walker modes。
在隨后長達(dá)70年中，塊體磁性材料中研究的磁子態(tài)幾乎都屬于Walker modes范疇。陸衛(wèi)教授團隊的發(fā)現(xiàn)突破了這一范疇，發(fā)掘了新的磁子態(tài)。在低磁場下，鐵磁絕緣體單晶球在受到強微波激勵時，內(nèi)部的非飽和自旋會獲得一定的協(xié)同性，產(chǎn)生一個與微波激勵信號同頻率振蕩的自旋波(圖(a))，該自旋波可被稱為“光誘導(dǎo)磁子態(tài)(pump-induced magnon mode, PIM)”。
光誘導(dǎo)磁子態(tài)如同一種“暗”態(tài)，無法按傳統(tǒng)探測方法直接觀測，但可通過其與Walker modes強耦合產(chǎn)生的能級劈裂被間接觀察到(圖(b))。
光誘導(dǎo)磁子態(tài)的有效自旋數(shù)受激勵微波調(diào)控，因此當(dāng)改變激勵微波的功率時，耦合劈裂的大小會按照功率四分之一次方的關(guān)系變化(圖(c))，展現(xiàn)出和常規(guī)Autler-Townes劈裂不一樣的功率依賴關(guān)系。
此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)磁子態(tài)具有豐富的非線性，這種非線性會產(chǎn)生一種磁子頻率梳(圖(d))。相較于微波諧振電路中產(chǎn)生的頻率梳，這一絕緣體中產(chǎn)生的新型頻率梳不存在電子噪聲，因此有望在信息技術(shù)中實現(xiàn)超低噪聲的信號轉(zhuǎn)換。
圖(a)光誘導(dǎo)磁子態(tài)原理示意圖，(b)光誘導(dǎo)磁子態(tài)的強耦合色散圖，(c)強耦合劈裂隨微波激勵功率的冪次關(guān)系，(d)光誘導(dǎo)磁子非線性效應(yīng)引發(fā)的純磁子頻率梳
“常規(guī)磁子強耦合態(tài)依賴于諧振腔才能構(gòu)建，當(dāng)諧振腔換成開放器件，眾所周知強耦合特征會悉數(shù)消失。我們則擺脫了這一依賴，通過外加微波誘導(dǎo)，即可產(chǎn)生磁子強耦合態(tài)。這樣的開放邊界下的耦合態(tài)有望像樂高一樣有序組合，獲得豐富的功能性。”團隊負(fù)責(zé)人陸衛(wèi)教授表示，“頻率梳就像是一把游標(biāo)卡尺，能夠精準(zhǔn)的測量頻譜上的風(fēng)吹草動。利用這個原理，光頻梳在原子鐘、超靈敏探測中展現(xiàn)了令人驚嘆的精度。我們發(fā)現(xiàn)的頻率梳在微波頻段，這是雷達(dá)、通訊、信息無線傳輸使用的頻段，可以預(yù)測我們的頻率梳必然能在這些領(lǐng)域中發(fā)揮作用。”
本項研究工作由上海科技大學(xué)、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和華中科技大學(xué)三家單位共同完成，上海科技大學(xué)為第一完成單位。論文第一作者是上科大物質(zhì)學(xué)院助理研究員饒金威，通訊作者是上科大物質(zhì)學(xué)院陸衛(wèi)教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究員和華中科技大學(xué)于濤教授。
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