我们早已熟悉“空间中的双缝干涉”，但你是否想过“时间”也能构造出双缝结构，引起波的干涉？近期，Physical Review Letters发表了一项由上海科技大学、山东大学、中国科学院上海技术物理研究所、浙江大学联合完成的研究。研究人员不仅首次在自旋波系统中观察到了随时间变化的强耦合现象，还进一步揭示了自旋波的“时间双缝衍射”现象，这一发现拓展了我们对波动行为的调控维度，为开发新型信息处理技术开辟了方向。
通常，我们对波的操控大多依赖于空间结构的设计，比如设计镜面、透镜、光栅、波导等。这些方法的本质是打破空间平移对称性，在波的传输路径中构造空间界面。然而，近年来，科学家们发现：如果材料的性质随时间快速变化，那么材料内部的时间平移对称性就会被打破。利用这种特性，我们可以实现全新的波动操控，例如实现时间反射、时间折射和时间衍射等。
磁子作为自旋波的能量子，可在绝缘体中传输信息，被视为与CMOS互补的低功耗波计算和构建量子混合系统的关键载体。然而，时变磁子学——研究时变介质中自旋波行为的新方向——至今未被有效探索。造成这一局面的主要原因在于——常规自旋波（常规磁子态）的时间响应迟缓，其色散关系难以在短时间内被快速调控。
2023年，本团队报道了一种特殊的磁子态——光诱导磁子态（Pump-Induced Magnon Mode, PIM）1, 2。该磁子态的等效磁矩很小，可以在纳特斯拉量级的微波磁场调控下快速响应。因此，光诱导磁子态为构建“时变”的自旋波系统提供了理想平台，也成为了本项工作的切入口。
图1：区别于常规空间双缝衍射这一工作展示了利用时间狭缝对强耦合磁子的相干调控，形成了磁子的时间双缝衍射现象
本项研究的核心是：通过微波脉冲高速操控磁性材料中光诱导磁子态（PIM）与Walker磁子态之间的耦合作用，使两种磁子态之间的耦合强度快速变化，从而形成“时间界面”。这些时间界面可以用来操控自旋波在时间维度上的振荡行为，如图2(a) 示意。
研究团队开发了一种新的测量技术——时间分辨频率梳频谱技术（trFCS），可以在纳秒尺度实时追踪磁子的频谱演化，如图2(c)。借助这一技术，研究人员观测到的关键现象包括：(i) 时变强耦合态的构建：在泵浦脉冲的上升/下降沿，磁子耦合态的振荡曲线急剧变化，表现出啁啾拉比振荡行为, 如图2(b)所示。(ii) 时间狭缝及其单缝衍射：当一个短脉冲激发光诱导磁子态时，会在几十纳秒内形成两个时间界面，如同在时间轴上切出一个“时间狭缝”，导致自旋波频谱发生展宽，产生类似于空间中的单缝衍射现象。(iii) 双缝时间干涉：进一步，通过两个短脉冲构造出两个“时间狭缝”，自旋波频谱上出现了一系列等间距的共振模式，形成清晰的干涉图样，如图2(d)所示。干涉条纹的频率间距随着时间狭缝间距的变化而变化，符合“杨氏双缝干涉”在时间维度上的类比规律。
为验证这一现象。研究团队还设计了对照实验：关闭磁场或提高泵浦频率使PIM无法激发，结果干涉条纹消失，从而排除了信号串扰等其他因素的影响；证实了时间衍射确实由磁子态的时变耦合所引发。
图2：时变磁子强耦合及其时间双缝衍射新效应
本研究不仅首次在自旋波系统中实现了“时间双缝衍射”，同时也展示了时间维度对波动行为的控制。该方法无需重新配置器件的结构，极具灵活性和前瞻性。它为未来构建全磁微波混频器、片上自旋波源等器件提供了新原理，推动了时域非线性自旋电子学功能器件的发展。此外，研究中开发的时间分辨频率梳频谱技术也为观测微波频段内的瞬态物理过程提供了重要工具，适用于更广泛的物理系统。
本项研究由上海科技大学、山东大学、中国科学院上海技术物理研究所和浙江大学共同完成。上海科技大学为第一完成单位，论文的第一作者是山东大学饶金威研究员，通讯作者包括中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂研究员、山东大学柏利慧教授和上海科技大学陆卫教授；合作作者包括浙江大学王逸璞研究员、上海科技大学李润泽教授。该项目得到了中国科学院B类先导专项、国家自然科学基金委的重大科研仪器研制、优青、面上和青年项目，上海市基础研究领域项目的资助。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jc1c-k3ll
文献：
1. Jinwei Rao, Bimu Yao*, C.Y. Wang, C. Zhang, Tao Yu*, and Wei Lu*, Physical Review Letters130, 046705 (2023)
2. Congyi Wang, Jinwei Rao*, Zhijian Chen, Kaixin Zhao, Liaoxin Sun, Bimu Yao*, Tao Yu, Yi-Pu Wang, Wei Lu*,Nature Physics20,1139–1144 (2024)
