近日，紅外科學與技術重點實驗室姚碧霂、陸衛(wèi)團隊與山東大學物理學院饒金威團隊合作，聯(lián)合上?？萍即髮W、華中科技大學和浙江大學等單位，通過在光誘導電子自旋強耦合態(tài)中構建奇異點，以光電耦合位相調控顯著提升了基于磁子（電子自旋集體激發(fā)）的頻率梳的產生效率（如圖1a示意），創(chuàng)造了磁子體系中頻率梳齒數的最高紀錄。這一成果以“Enhancement of magnonic frequency combs by exceptional points”為題，發(fā)表在《自然 物理》(Nature Physics)雜志上。

光學頻率梳由離散光譜線構成，展現出等間距、梳狀的信號分布。諾獎得主Arthur Schawlow曾言：‘Never measure anything but frequency’，以強調頻率維度的重要性。光學頻率梳極大地提高了頻率測量的精度，在衛(wèi)星導航、精密距離測量、原子鐘和分子識別等領域發(fā)揮重要作用，也因此其發(fā)現者榮獲2005年諾貝爾物理學獎。光學頻率梳的成功應用激勵了其他物態(tài)頻率梳的研究。電子自旋集體激發(fā)形成的磁子具有免疫焦耳熱的獨特優(yōu)勢，其靈活的自旋動力學調控特性是融合多種物態(tài)優(yōu)勢的絕佳載體。然而，常規(guī)的磁子頻率梳由于依賴材料的非線性效應，需要較高功率密度才能產生有限的梳齒，限制了其向高效、片上集成、可調節(jié)的磁子功能器件轉化的進程。

研究團隊最新發(fā)現的光誘導磁子態(tài)（Physical Review Letters 130 ，046705 (2023)）展現出獨特優(yōu)勢。該態(tài)與常規(guī)磁子模式不同，其有效磁矩受光誘導泵浦的相干控制，其磁矩更低、阻尼更小，在驅動功率較低時能引發(fā)較大進動偏角，形成顯著非線性效應，促成磁子頻率梳的形成（如圖1b所示）。通過位相調控，研究團隊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，極大地增強了非線性耦合效應，實現了磁子頻率梳的顯著增長（如圖1c所示）。該增強效應并非依賴于提高驅動功率，而是通過優(yōu)化非線性耦合過程本身。此外，光誘導磁子的高度可調特性使得可以通過簡單操控泵浦功率、頻率和極化來精確控制磁子頻率梳。

在這項工作中，團隊巧妙地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控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。本研究開發(fā)的高效磁子頻率梳生成方法不僅推動了磁子電子學中寬頻帶、離散且相干自旋波源的研究，還有望在靈敏的光電檢測應用中發(fā)揮建設性作用。

同期，研究人員、業(yè)內專家和編輯團隊聯(lián)合，在Nature Physics研究簡報（Research Briefing）專欄在線發(fā)表了題為《增強磁子頻率梳的產生》（“Enhanced generation of magnonic frequency combs”）的推介文章。專家評價利用奇異點來放大耦合作用，并增加譜線數目的想法極為巧妙，對磁子電子學和凝聚態(tài)物理研究均有促進作用。Nature Physics編輯團隊指出，這一研究工作架起了非厄米物理和磁子頻率梳之間的橋梁，并展現了量子信息處理中的應用潛力。其研究構架是可控的、不依賴諧振腔的平臺，回避了電荷噪聲和焦耳熱，這一特點令人興奮。

這項研究成果由中國科學院上海技術物理研究所、上?？萍即髮W、山東大學、華中科技大學和浙江大學等單位共同完成。中國科學院上海技術物理研究所姚碧霂、陸衛(wèi)研究員，山東大學饒金威研究員為論文通訊作者；合作作者包括上海技術物理研究所孫聊新副研究員、華中科技大學于濤教授和浙江大學王逸璞教授。

該項目得到了中國科學院B類先導專項、國家自然基金委國家重大科研儀器研制項目、優(yōu)秀青年項目、上海市基礎研究領域項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02478-0

圖1：(a) 磁子模式（示意圖中類比為陀螺）間的特殊耦合狀態(tài)，能顯著提高磁子頻率梳（示意圖中表示為光帶）的產生效率；(b) 利用奇異點增強磁子頻率梳原理圖；（c）位相調控下磁子頻率梳的顯著增強