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、山东大学、华中科技大学和浙江大学的研究团队，在《自然物理》(Nature Physics) 杂志上发表了重要研究进展。该研究利用光诱导磁子态构建奇异点（Exceptional Point），显著提高了磁子频率梳的产生效率。这一研究不仅显著增加了磁子频率梳的频带宽度和梳齿数量，还促进了其激发的阈值的降低，成功创造了拥有32齿的磁子频率梳的最高纪录。论文以“Enhancement of magnonic frequency combs by exceptional points”为题在线发表，阐述了这一创新研究成果。
光学频率梳是指由等间距、离散的光组成的特殊频谱，因其在频域中的分布形状类似于一把梳子而得名。诺贝尔物理学奖得主、激光技术的先驱亚瑟·肖洛曾指出：“Never measure anything but frequency”，强调了时间频率作为目前可测量的最精确物理量之一的重要性。光学频率梳的出现极大地提升了频率测量的精度，从而在原子钟、卫星导航、精密距离测量和分子识别等多个技术领域发挥了关键作用。由于光频梳的巨大作用，其发明者在该技术问世后仅6年，便荣获了2005年的诺贝尔物理学奖。
光学频率梳的广泛应用不仅推动了科技的发展，还激发了研究者对其他类型频率梳的探索。在磁子电子学领域，研究人员已经利用固态物质中的自旋集体激发成功开发了磁子频率梳，进一步拓宽了频率梳的研究和应用前景。磁子频率梳的激发依赖于材料的非线性效应，但这种效应通常较弱且难以精确控制。传统的磁子频率梳需要较高的功率密度才能产生有限的梳齿，这限制了其向高效、片上集成、可调节的磁子功能器件的转化。
图1：磁子模式间的特殊耦合状态，能显著提高磁子频率梳（示意图中表示为光带）的产生效率。
在磁子电子学领域，磁子频率梳的生成密切依赖于磁动力学的非线性特性。研究团队新发现的光诱导磁子态（Phys Rev Lett 130, 046705 (2023)）在磁子频率梳激发过程中展现出了独特的优势。与常规磁子模式相比，光诱导磁子态的磁矩更低、阻尼更小，在较低的微波驱动功率下，便能够引发较大的进动偏角，进而产生显著的非线性效应。光诱导磁子态与常规磁子态之间的非线性耦合过程能够受外部磁场有效调制，这极大促进了磁子频率梳的形成（如图2a所示）。这一突破性发现，为解决磁子频率梳高效激发提供了一种新的策略，即通过调节磁子态之间的耦合过程来实现。
研究团队通过调节微波干涉，实现了对光诱导磁子耦合过程及其非线性响应的精确操控。该团队利用干涉效应调节磁性样品处的微波极化，使耦合磁振子系统接近“奇异点”——一种本征模式合并且对扰动极为敏感的特殊状态。这一策略显著增强了非线性耦合效应，促进了磁子频率梳的显著增长。值得一提的是，这种增强效果并不需要提高泵浦功率，而是通过优化非线性耦合过程来实现。得益于光诱导磁子的可调特性，研究团队能够通过调整泵浦功率、频率和极化来精确控制磁子频率梳的生成。例如，在泵浦功率仅为0.4毫瓦的条件下，磁子频率梳在接近奇异点的情况下，其齿数可显著增至32齿，如图2b所示。
图2：利用奇异点增强磁子频率梳
在这项研究中，科研团队巧妙地将磁子频率梳与非厄米奇异点这两个前沿概念相结合，展示了如何通过耗散来精确操纵非线性磁子模式。这一成果对非厄米物理和磁子电子学领域的研究均有积极的促进意义。磁子频率梳在片上多功能器件中提供了宽频带、离散且相干的自旋波信号，为自旋波源的研究提供了新的动力。本研究所开发的高效磁子频率梳生成方法，不仅建设性地推进了磁子电子学领域的探索，而且有望在灵敏磁检测等方面获得应用。
这项研究成果由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所、山东大学、华中科技大学和浙江大学等单位共同完成。论文的第一作者是上海科技大学王丛逸，通讯作者包括山东大学饶金威研究员、中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂研究员和上海科技大学陆卫教授；合作作者包括上海技术物理研究所孙聊新研究员、华中科技大学于涛教授和浙江大学王逸璞教授。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、优青和青年项目，上海市基础研究领域项目，上海市浦江人才计划的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02478-0
