3月10日，上海科技大學(xué)官網(wǎng)發(fā)布消息稱，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陸衛(wèi)教授課題組近日在光子-磁子相互作用及強(qiáng)耦合調(diào)控方向取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次在鐵磁絕緣體單晶中發(fā)現(xiàn)了一種全新的磁共振，命名為光誘導(dǎo)磁子態(tài)(pump-induced magnon mode, PIM)。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為磁子電子學(xué)和量子磁學(xué)的研究打開了全新的維度。

　　該成果發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

　　論文的標(biāo)題是《一種與沃克模式強(qiáng)相互作用的光誘導(dǎo)磁子態(tài)》(Unveiling a Pump-Induced Magnon Mode via Its Strong Interaction with Walker Modes)。

　　上述消息稱，陸衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，突破了“壟斷”該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)60多年的“Walker modes”這一范疇，發(fā)掘了新的磁子態(tài)，或可在雷達(dá)、通訊、信息無線傳輸?shù)阮I(lǐng)域使用。

　　新的磁子態(tài)

　　1956年，美國(guó)新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工作人員沃克(L. R. Walker)撰寫論文，給出了磁性塊體空間受限磁子態(tài)的數(shù)學(xué)描述，隨后其論文發(fā)表，這一磁子態(tài)被稱為Walker modes。在隨后的60多年中，塊體磁性材料中研究的磁子態(tài)幾乎都屬于Walker modes范疇。

　　電子科技大學(xué)物理學(xué)院、電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)鵬教授等人2023年發(fā)表在中文學(xué)術(shù)期刊《物理學(xué)報(bào)》上的綜述文章《磁子學(xué)中的拓?fù)湮飸B(tài)與量子效應(yīng)》一文介紹，量子化的自旋波稱為磁子(magnon)。

　　而自旋波(spin wave)是磁性體系中自旋進(jìn)動(dòng)的集體激發(fā)態(tài)，最早由物理學(xué)家布洛赫(Bloch, 1952 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)于1930年提出，用來解釋鐵磁體自發(fā)磁化強(qiáng)度隨溫度變化的重要規(guī)律，隨后在1957年被物理學(xué)家布羅克豪斯(Brockhouse, 1994年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)采用非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

　　自旋波的波長(zhǎng)可以小到幾個(gè)納米, 能夠提高信息的存儲(chǔ)密度, 有利于磁子器件的微型化和高集成度。而且，自旋波的傳輸不涉及電子的運(yùn)動(dòng), 既可以在磁性金屬中傳播, 也可以在磁性絕緣體中傳播, 避免了由于焦耳熱產(chǎn)生的功耗。

　　每個(gè)磁子攜帶一個(gè)約化普朗克常量的自旋角動(dòng)量，因此，磁子也可以像電子一樣承載和傳遞自旋信息。磁子學(xué)的主要目的就是將信息載體替換為自旋波, 通過自旋波來進(jìn)行信息傳輸和邏輯計(jì)算。此前的信息載體是電子的電荷或自旋屬性。

　　上海科技大學(xué)上述消息稱，磁子態(tài)是電子自旋應(yīng)用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集體激發(fā)。宏觀磁性的起源主要是材料中未配對(duì)的電子。電子有兩個(gè)眾所周知的基本屬性：電荷與自旋。前者是所有電子器件操控的對(duì)象。而自旋，尤其是磁性絕緣體中的自旋，能夠完全避免傳導(dǎo)電子的歐姆損失，充分發(fā)揮自旋長(zhǎng)壽命、低耗散的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于開發(fā)自旋電子學(xué)器件意義重大。磁子還可以與超導(dǎo)量子比特相互作用，在量子信息技術(shù)中發(fā)揮重要作用。

　　最新發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn)，在低磁場(chǎng)下，鐵磁絕緣體單晶球在受到強(qiáng)微波激勵(lì)時(shí)，內(nèi)部的非飽和自旋會(huì)獲得一定的協(xié)同性，產(chǎn)生一個(gè)與微波激勵(lì)信號(hào)同頻率振蕩的自旋波，該自旋波可被命名為“光誘導(dǎo)磁子態(tài)(pump-induced magnon mode, PIM)”。

　　光誘導(dǎo)磁子態(tài)如同一種“暗”態(tài)，無法按傳統(tǒng)探測(cè)方法直接觀測(cè)，但可通過其與Walker modes強(qiáng)耦合產(chǎn)生的能級(jí)劈裂被間接觀察到，并能被激勵(lì)微波調(diào)控。

　　電子的自旋示意圖：上自旋(左)和下自旋(右)。來自《候鳥的量子力學(xué)：自旋、糾纏態(tài)與地磁導(dǎo)航》一文。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所官網(wǎng)關(guān)于“電子自旋”的介紹稱，出于量子場(chǎng)論的需要，自旋概念被引入。不但電子存在自旋，中子、質(zhì)子、光子等所有微觀粒子都存在自旋，只不過取值不同。自旋和靜質(zhì)量、電荷等物理量一樣，也是描述微觀粒子固有屬性的物理量。自旋為0的粒子像一個(gè)圓點(diǎn)：從任何方向看都一樣。而自旋為1的粒子像一個(gè)箭頭：從不同方向看是不同的。

　　自旋不同于自轉(zhuǎn)。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所微信公眾號(hào)發(fā)布的《候鳥的量子力學(xué)：自旋、糾纏態(tài)與地磁導(dǎo)航》一文介紹，我們無法從經(jīng)典的角度來理解自旋。目前的理論和實(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)電子的半徑下限，因此電子是被當(dāng)作點(diǎn)粒子來對(duì)待的。根據(jù)泡利不相容原理，兩個(gè)電子不能處在同一個(gè)狀態(tài)上，因此原子核周圍的電子一般都是成對(duì)分布的，一個(gè)原子軌道上可以容納兩個(gè)電子，一個(gè)自旋向上，一個(gè)自旋向下。這兩個(gè)電子的自旋取向不能相同，處在一種關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，也就是我們通常所說的量子糾纏態(tài)。

　　激發(fā)態(tài)被用于描述原子、分子等吸收能量后，電子被激發(fā)到更高能級(jí)的狀態(tài)。此后，電子可能在短時(shí)間內(nèi)向較低能級(jí)躍遷，釋放出一定的能量，比如釋放出光子，或返回基態(tài)。

　　不存在電子噪聲，可用于雷達(dá)精準(zhǔn)探測(cè)

　　上海科技大學(xué)上述消息稱，芯片的研發(fā)主要遵循著摩爾定律，即每18個(gè)月到兩年間，芯片的性能會(huì)翻一倍。然而，隨著人類社會(huì)逐漸步入后摩爾時(shí)代，一味降低芯片制程受到了“極限挑戰(zhàn)”。處理器性能翻倍的時(shí)間延長(zhǎng)，“狂飆”的發(fā)展勢(shì)頭遇到了技術(shù)瓶頸。在市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，人們迫切需要“新鮮血液”的注入，來激活低功耗、高集成化、高信息密度信息處理載體的出路。基于磁性材料發(fā)展建立的自旋電子學(xué)以及磁子電子學(xué)發(fā)展迅猛，為突破上述限制提供了出路。

　　研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，最新發(fā)表的光誘導(dǎo)磁子態(tài)具有豐富的非線性，這種非線性會(huì)產(chǎn)生一種磁子頻率梳。

　　頻率梳(上)。非線性磁振子-斯格明子散射(magnon-skyrmion scattering)產(chǎn)生自旋波頻率梳示意圖。來自《Magnonic Frequency Comb through Nonlinear Magnon-Skyrmion Scattering》。

　　相較于微波諧振電路中產(chǎn)生的頻率梳，這一新型頻率梳不存在電子噪聲，因此，有望在信息技術(shù)中實(shí)現(xiàn)超低噪聲的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

　　“常規(guī)磁子強(qiáng)耦合態(tài)依賴于諧振腔才能構(gòu)建……我們則擺脫了這一依賴，通過外加微波誘導(dǎo)，即可產(chǎn)生磁子強(qiáng)耦合態(tài)。這樣的開放邊界下的耦合態(tài)有望像樂高一樣有序組合，獲得豐富的功能性。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陸衛(wèi)教授表示。

　　陸衛(wèi)表示，“我們發(fā)現(xiàn)的頻率梳在微波頻段，這是雷達(dá)、通訊、信息無線傳輸使用的頻段，可以預(yù)測(cè)，我們的頻率梳必然能在這些領(lǐng)域中發(fā)揮作用。”

　　陸衛(wèi)解釋，頻率梳就像是一把游標(biāo)卡尺，能夠?qū)︻l譜上的風(fēng)吹草動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量。此前人們發(fā)現(xiàn)的光學(xué)頻率梳(光頻梳)就在原子鐘、超靈敏探測(cè)中展現(xiàn)了令人驚嘆的精度。

　　該研究工作由上海科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和華中科技大學(xué)三家單位共同完成，上海科技大學(xué)為第一完成單位。論文第一作者是上科大物質(zhì)學(xué)院助理研究員饒金威，通訊作者是上科大物質(zhì)學(xué)院陸衛(wèi)教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究員和華中科技大學(xué)于濤教授。