物質學院陸衛團隊實現奇異點增強的磁子頻率梳

發布時間2024-04-29文章來源 物質科學與技術學院作者責任編輯劉玥

光學頻率梳,這種由離散光譜線構成的頻譜,因其在頻域中展現出等間距、梳狀的信號分布而得名。時間頻率是目前可測量的最精確物理量之一,諾貝爾物理學獎得主、激光技術的先驅亞瑟·肖洛曾言:“Never measure anything but frequency”,意為頻率是目前可以被測得最準的物理量。光學頻率梳的誕生極大地提高了頻率測量的精度。自問世以來,頻率梳已在原子鐘、衛星導航、精密距離測量和分子識別等多個技術領域中發揮了重要作用。2005年諾貝爾物理學獎便是頒發給了從事這項重大發現的科學家。

光學頻率梳的廣泛應用極大鼓舞了研究者對其他類型頻率梳的探索熱情。特別是在磁子電子學領域,研究人員使用固態物質中的自旋集體激發來取代光子,成功創造了磁子頻率梳,拓展了頻率梳的研究和應用范圍。磁子頻率梳的激發依賴于材料的非線性效應,然而這種效應通常微弱且難以精確控制。因此,傳統的磁子頻率梳需要較高的功率密度才能產生極為有限的梳齒。這極大阻礙了磁子頻率梳向高效、片上集成、可調節的磁子功能器件轉化的進程。

針對上述挑戰,上??萍即髮W物質科學與技術學院的陸衛教授團隊聯合中國科學院上海技術物理研究所、山東大學物理學院等團隊,通過在光誘導磁子態中構建磁子態奇異點,顯著提升了磁子頻率梳的產生效率(圖1)。這項研究不僅增加了磁子頻率梳的頻帶寬度和梳齒數量,而且降低了其激發的閾值,創造了擁有32齒的磁子頻率梳的最高紀錄。這一突破性成果近日發表在國際學術期刊《自然-物理》(Nature Physics)上。

 

圖1:磁子模式(示意圖中類比為陀螺)間的特殊耦合狀態,能顯著提高磁子頻率梳(示意圖中表示為七彩光帶)的產生效率。


磁子頻率梳的生成密切依賴于磁動力學的非線性特性。研究團隊最新發現的光誘導磁子態在這一非線性需求方面展現出獨特的優勢。與常規磁子模式不同,光誘導磁子態在其有效磁矩受微波泵浦的相干控制方面呈現出磁矩更低、阻尼更小的獨特優勢。在微波驅動功率較低的情況下,它更容易引發較大的進動偏角,從而形成顯著的深度非線性效應。這種非線性特性使光誘導磁子態能夠與常規磁子模式之間的耦合過程受到外部場的有效調制,進而促成了磁子頻率梳的形成(如圖2a所示)。這一發現為解決磁子頻率梳生成中的挑戰提供了一種新的策略,即通過磁子模式之間的耦合強度來實現。

通過調節微波干涉,實現了對光誘導磁子耦合過程及其非線性響應的精確操控。該工作以干涉效應調節磁性樣品處的微波極化,進而引導耦合磁振子系統接近“奇異點”——本征模式融合且對擾動極為敏感的關鍵狀態。這一策略極大地增強了非線性耦合效應,從而實現了磁子頻率梳的顯著增長。值得注意的是,這種增強并非依賴于提高驅動功率,而是通過優化非線性耦合過程本身。此外,得益于光誘導磁子的可調特性,科研人員能夠通過簡單調整泵浦功率、頻率和極化來精確控制磁子頻率梳。如圖2b所示,在泵浦功率低至0.4毫瓦的條件下,磁子頻率梳在接近奇異點的情況下,其齒數可顯著增至32齒。

 

圖2:利用奇異點增強磁子頻率梳


這項創新性的研究巧妙融合了磁子頻率梳與非厄米奇異點這兩個關鍵概念,并展示了通過耗散來操縱非線性磁子模式的能力,這對于非厄米物理和磁子電子學這兩個領域均有重要的意義。磁子頻率梳能夠在片上多功能器件中,提供寬頻帶、離散且相干的自旋波。本研究開發的高效磁子頻率梳生成方法不僅推動了磁子電子學中自旋波源的研究,還有望在敏感磁場檢測應用中發揮建設性作用。

本項研究成果由上??萍即髮W和中國科學院上海技術物理研究所、山東大學等單位共同合作完成,上??萍即髮W為第一完成單位。上??萍即髮W物質學院2024屆碩士研究生王叢逸為論文第一作者,山東大學饒金威研究員、中國科學院上海技術物理研究所姚碧霂研究員和上??萍即髮W陸衛教授為論文通訊作者。

文章標題:Enhancement of magnonic frequency combs by exceptional points

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41567-024-02478-0