突破：中国科学家发现新磁子态，或可用于芯片和雷达

来源：IT之家

近日，上海科技大学物质科学与技术学院陆卫教授课题组在光子-磁子相互作用及强耦合调控方向取得重要进展。研究团队首次在铁磁绝缘体单晶中发现了一种全新的磁共振，命名为光诱导磁子态，此项发现为磁子电子学和量子磁学的研究打开了全新的维度。研究中揭示的新型磁子强耦合物态，能极大改变铁磁单晶的电磁特性，为光子与磁子的纠缠提供新的思路，这对推动磁子在微波工程和量子信息处理中的应用具有重要作用。该成果发表于物理学领域旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

芯片的研发主要遵循着摩尔定律，即每 18 个月到两年间，芯片的性能会翻一倍。然而，随着人类社会逐渐步入后摩尔时代，一味降低芯片制程受到了“极限挑战”。处理器性能翻倍的时间延长，“狂飙”的发展势头遇到了技术瓶颈。在市场需求驱动下，人们迫切需要“新鲜血液”的注入，来激活低功耗、高集成化、高信息密度信息处理载体的出路。基于磁性材料发展建立的自旋电子学以及磁子电子学发展迅猛，为突破上述限制提供了出路。

宏观磁性的起源主要是材料中未配对的电子。电子有两个众所周知的基本属性：电荷与自旋。前者是所有电子器件操控的对象。利用电子电荷属性发展的微电子器件，已经引发了信息产业的革命。然而，面对难以抑制的欧姆损耗，以及信息产业对更高密度存储和先进量子计算的渴求，人们迫切希望进一步利用电子自旋作为信息载体，发展自旋电子学器件，进而继续推动信息技术的发展。尤其是磁性绝缘体中的自旋，它们能够完全避免传导电子的欧姆损失，充分发挥自旋长寿命、低耗散的优势，因此对于开发自旋电子学器件意义重大。磁子态是电子自旋应用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集体激发。它不仅可以高效传递自旋流，还可以与不同的物理体系，例如声子、光子、电子等，发生相互作用，进而重塑材料的声光电磁等物性。此外，磁子还可以与超导量子比特相互作用，在量子信息技术中发挥重要作用。正是由于这些性质与应用潜力，近年来关于磁子的研究引起国际学界的高度关注，磁子电子学、量子磁电子学等新兴领域相继诞生。

铁磁绝缘体单晶球中的磁子态，最早于 1956 年由美国物理学家 Robert L. White 和 Irvin H. Slot Jr.在实验中发现。根据他们的实验结果，同一年 L. R. Walker 给出了磁性块体空间受限磁子态的数学描述，称为 Walker modes。在随后长达 70 年中，块体磁性材料中研究的磁子态几乎都属于 Walker modes 范畴。陆卫教授团队的发现突破了这一范畴，发掘了新的磁子态。在低磁场下，铁磁绝缘体单晶球在受到强微波激励时，内部的非饱和自旋会获得一定的协同性，产生一个与微波激励信号同频率振荡的自旋波（图 (a)），该自旋波可被称为“光诱导磁子态（pump-induced magnon mode, PIM）”。光诱导磁子态如同一种“暗”态，无法按传统探测方法直接观测，但可通过其与 Walker modes 强耦合产生的能级劈裂被间接观察到（图 (b)）。光诱导磁子态的有效自旋数受激励微波调控，因此当改变激励微波的功率时，耦合劈裂的大小会按照功率四分之一次方的关系变化（图 (c)），展现出和常规 Autler-Townes 劈裂不一样的功率依赖关系。此外，研究团队还发现光诱导磁子态具有丰富的非线性，这种非线性会产生一种磁子频率梳（图 (d)）。相较于微波谐振电路中产生的频率梳，这一绝缘体中产生的新型频率梳不存在电子噪声，因此有望在信息技术中实现超低噪声的信号转换。

图（a）光诱导磁子态原理示意图，（b）光诱导磁子态的强耦合色散图，（c）强耦合劈裂随微波激励功率的幂次关系，（d）光诱导磁子非线性效应引发的纯磁子频率梳

“常规磁子强耦合态依赖于谐振腔才能构建，当谐振腔换成开放器件，众所周知强耦合特征会悉数消失。我们则摆脱了这一依赖，通过外加微波诱导，即可产生磁子强耦合态。这样的开放边界下的耦合态有望像乐高一样有序组合，获得丰富的功能性。”团队负责人陆卫教授表示，“频率梳就像是一把游标卡尺，能够精准的测量频谱上的风吹草动。利用这个原理，光频梳在原子钟、超灵敏探测中展现了令人惊叹的精度。我们发现的频率梳在微波频段，这是雷达、通讯、信息无线传输使用的频段，可以预测我们的频率梳必然能在这些领域中发挥作用。”