突破：中國科學家發現新磁子態，或可用于芯片和雷達 2023-03-14
近日，上海科技大學物質科學與技術學院陸衛教授課題組在光子-磁子相互作用及強耦合調控方向取得重要進展。研究團隊首次在鐵磁絕緣體單晶中發現了一種全新的磁共振，命名為光誘導磁子態，此項發現為磁子電子學和量子磁學的研究打開了全新的維度。研究中揭示的新型磁子強耦合物態，能極大改變鐵磁單晶的電磁特性，為光子與磁子的糾纏提供新的思路，這對推動磁子在微波工程和量子信息處理中的應用具有重要作用。該成果發表于物理學領域旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
芯片的研發主要遵循著摩爾定律，即每 18 個月到兩年間，芯片的性能會翻一倍。然而，隨著人類社會逐漸步入后摩爾時代，一味降低芯片制程受到了“極限挑戰”。處理器性能翻倍的時間延長，“狂飆”的發展勢頭遇到了技術瓶頸。在市場需求驅動下，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。基于磁性材料發展建立的自旋電子學以及磁子電子學發展迅猛，為突破上述限制提供了出路。
宏觀磁性的起源主要是材料中未配對的電子。電子有兩個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象。利用電子電荷屬性發展的微電子器件，已經引發了信息產業的革命。然而，面對難以抑制的歐姆損耗，以及信息產業對更高密度存儲和先進量子計算的渴求，人們迫切希望進一步利用電子自旋作為信息載體，發展自旋電子學器件，進而繼續推動信息技術的發展。尤其是磁性絕緣體中的自旋，它們能夠完全避免傳導電子的歐姆損失，充分發揮自旋長壽命、低耗散的優勢，因此對于開發自旋電子學器件意義重大。磁子態是電子自旋應用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集體激發。它不僅可以高效傳遞自旋流，還可以與不同的物理體系，例如聲子、光子、電子等，發生相互作用，進而重塑材料的聲光電磁等物性。此外，磁子還可以與超導量子比特相互作用，在量子信息技術中發揮重要作用。正是由于這些性質與應用潛力，近年來關于磁子的研究引起國際學界的高度關注，磁子電子學、量子磁電子學等新興領域相繼誕生。
鐵磁絕緣體單晶球中的磁子態，最早于 1956 年由美國物理學家 Robert L. White 和 Irvin H. Slot Jr.在實驗中發現。根據他們的實驗結果，同一年 L. R. Walker 給出了磁性塊體空間受限磁子態的數學描述，稱為 Walker modes。在隨后長達 70 年中，塊體磁性材料中研究的磁子態幾乎都屬于 Walker modes 范疇。陸衛教授團隊的發現突破了這一范疇，發掘了新的磁子態。在低磁場下，鐵磁絕緣體單晶球在受到強微波激勵時，內部的非飽和自旋會獲得一定的協同性，產生一個與微波激勵信號同頻率振蕩的自旋波（圖 (a)），該自旋波可被稱為“光誘導磁子態（pump-induced magnon mode, PIM）”。光誘導磁子態如同一種“暗”態，無法按傳統探測方法直接觀測，但可通過其與 Walker modes 強耦合產生的能級劈裂被間接觀察到（圖 (b)）。光誘導磁子態的有效自旋數受激勵微波調控，因此當改變激勵微波的功率時，耦合劈裂的大小會按照功率四分之一次方的關系變化（圖 (c)），展現出和常規 [**]utler-Townes 劈裂不一樣的功率依賴關系。此外，研究團隊還發現光誘導磁子態具有豐富的非線性，這種非線性會產生一種磁子頻率梳（圖 (d)）。相較于微波諧振電路中產生的頻率梳，這一絕緣體中產生的新型頻率梳不存在電子噪聲，因此有望在信息技術中實現超低噪聲的信號轉換。
“常規磁子強耦合態依賴于諧振腔才能構建，當諧振腔換成開放器件，眾所周知強耦合特征會悉數消失。我們則擺脫了這一依賴，通過外加微波誘導，即可產生磁子強耦合態。這樣的開放邊界下的耦合態有望像樂高一樣有序組合，獲得豐富的功能性。”團隊負責人陸衛教授表示，“頻率梳就像是一把游標卡尺，能夠精準的測量頻譜上的風吹草動。利用這個原理，光頻梳在原子鐘、超靈敏探測中展現了令人驚嘆的精度。我們發現的頻率梳在微波頻段，這是雷達、通訊、信息無線傳輸使用的頻段，可以預測我們的頻率梳必然能在這些領域中發揮作用。”
來源：電子工程世界