撰稿|由课题组供稿
近日，上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所和华中科技大学物理学院合作在《Physical Review Letters》期刊上发表了题为“Unveiling a Pump-Induced Magnon Mode via Its Strong Interaction with Walker Modes”的研究论文。研究团队在探索光子-磁子新型相互作用及强耦合调控方面取得了重要进展，该工作在铁磁绝缘体单晶中发现了一种由微波驱动导致的全新的磁共振现象并命为“光诱导磁子态”。这种新型磁子态展现了突破常规的调谐维度和丰富的非线性特性，并且能极大改变磁性材料的电磁特性，从而为光子自旋相干调控提供新的思路。该研究对于磁子在微波工程和量子信息处理中的应用具有重要的促进作用，也有望为磁子电子学、量子磁学和量子信息科学开拓新的调控思路。
电子的电荷和自旋属性在现代物理学和工程技术中扮演着至关重要的角色。在信息产业革命中，基于电子电荷属性制造的微电子器件已经取得了重大突破和发展。然而，由于器件功耗的限制和性能的需求，如何对自旋属性进行开发和实现应用正在成为研究的热点和重点。发展基于自旋属性的调控，有望进一步实现新型的自旋电子学功能，并促进自旋器件性能的突破，也有望在未来将自旋作为信息载体来实现更高密度的数据存储和更快速先进的量子计算。在绝缘材料中，自旋信息的传输不依赖于电子流动，因此可以有效避免欧姆损失，并发挥自旋长寿命和低耗散的信息传输优势。众多自旋的集体激发会形成自旋波，其激发量子即为磁子。磁子可以有效地与多个维度如声子、光子和电子等不同物理体系相互耦合，从而极大地拓展材料的声、光、电、磁等物性调控，同时还可以与超导量子比特耦合，为量子信息技术提供新的可能性。由于这些特性和应用潜力，近年来关于磁子的研究引起了广泛的关注，涌现了腔-磁子电子学、量子磁电子学、手性自旋电子学等热门领域。
图2：光诱导磁子态的强耦合色散图及其振幅、线宽演化图
磁子的耦合调控可以促进其与多种信息载体之间的性质交换。不同自由度之间的强耦合被认为是最有效的耦合形式；它指的是模式间能量交换速率远远大于模式各自的耗散速率，并表现出典型的能级反交叉特征。然而，传统上只有在封闭的微波谐振腔结构中才能构建常规磁子-光子强耦合态，如果用开放波导器件替代封闭的谐振腔，则强耦合特征会全部消失。但在本文研究中，作者们发现了一种新兴的磁子态——光诱导磁子态（pump-induced magnon mode, PIM），该模式可以通过外加微波对传统磁性材料进行驱动形成，其能够与其它传统磁子模式形成强耦合反交叉特征，而无需任何谐振腔结构的限制。基于这一新兴磁子态的理解，论文作者通过研究认为是铁磁绝缘体单晶中的非饱和自旋在外加微波的驱动下，产生了与驱动微波同频振荡的自旋波（如图1所示），称为光诱导磁子态。与传统的磁子态不同，光诱导磁子态超出了传统磁学由空间约束所形成Walker模式（自旋驻波）的范畴，之前从未被发现。虽然PIM模式本身仍未在实验上直接观测，但可以通过其与Walker模式强耦合产生的能级劈裂来间接观察到（如图2所示）。
图3 光诱导磁子态的强耦合劈裂随微波激励功率的幂次关系
然后，论文研究者们讨论了强耦合反交叉的功率依赖性。常规的腔磁子极化激元强耦合特征受限于其固有属性，耦合劈裂不随微波功率变化；而光诱导磁子态的耦合劈裂的大小会按照功率的1/4次方关系变化（如图3所示），展现了与常规Autler-Townes劈裂截然不同的依赖关系。
图4 光诱导磁子非线性效应引发的纯磁子频率梳
此外，研究还发现，光诱导磁子态具有丰富的非线性特性，可以形成磁子频率梳。如图4所示，研究展示了光诱导磁子态受激形成之后，所形成的等频率间距的辐射信号。与传统微波谐振电路产生的频率梳不同，本文中的磁子频率梳由绝缘材料产生，从而提供了一种避免电荷噪声的有效途径。
本研究观察到了一种特殊的磁子态，并揭示了这种磁子态与常规磁子态之间的强耦合。该工作表明，这一新兴磁子态可以展现出有趣且具有潜在用途的特性，例如其动力学行为不再受限于磁性样品的电磁边界，而是可以通过外界微波驱动的频率、功率和波形来灵活控制；这直接拓展了磁子强耦合态的构建途径，并且其协同性超过了120。光诱导磁子态产生于微波S波段，这对于无线网络和量子信息处理非常重要。光诱导磁子态中频率梳的产生完全基于绝缘样品磁动力学，因此免受电荷噪声的干扰，这有望促进高效的相干能量传输和超低噪声信号转换，为非平衡物理研究和非线性自旋器件构建提供了有益的支持。
本工作由上海科技大学、中科院上海技物所和华中科技大学的学者共同合作完成。论文第一作者是上海科技大学饶金威助理研究员，通讯作者是上海科技大学陆卫教授、中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂青年研究员和华中科技大学于涛教授。本工作受到国家自然科学基金优青、海外优青、面上和青年项目，上海市基础研究领域项目和浦江人才计划，国家重点研发计划项目，中科院青促会项目和中科院先导专项的资助。相关论文在线发表在 Physical Review Letters。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046705
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