近日，红外科学与技术重点实验室姚碧霂、陆卫团队与山东大学物理学院饶金威团队合作，联合上海科技大学、华中科技大学和浙江大学等单位，通过在光诱导电子自旋强耦合态中构建奇异点，以光电耦合位相调控显著提升了基于磁子（电子自旋集体激发）的频率梳的产生效率（如图1a示意），创造了磁子体系中频率梳齿数的最高纪录。这一成果以“Enhancement of magnonic frequency combs by exceptional points”为题，发表在《自然 物理》(Nature Physics)杂志上。
光学频率梳由离散光谱线构成，展现出等间距、梳状的信号分布。诺奖得主Arthur Schawlow曾言：‘Never measure anything but frequency’，以强调频率维度的重要性。光学频率梳极大地提高了频率测量的精度，在卫星导航、精密距离测量、原子钟和分子识别等领域发挥重要作用，也因此其发现者荣获2005年诺贝尔物理学奖。光学频率梳的成功应用激励了其他物态频率梳的研究。电子自旋集体激发形成的磁子具有免疫焦耳热的独特优势，其灵活的自旋动力学调控特性是融合多种物态优势的绝佳载体。然而，常规的磁子频率梳由于依赖材料的非线性效应，需要较高功率密度才能产生有限的梳齿，限制了其向高效、片上集成、可调节的磁子功能器件转化的进程。
研究团队最新发现的光诱导磁子态（Physical Review Letters 130 ，046705 (2023)）展现出独特优势。该态与常规磁子模式不同，其有效磁矩受光诱导泵浦的相干控制，其磁矩更低、阻尼更小，在驱动功率较低时能引发较大进动偏角，形成显著非线性效应，促成磁子频率梳的形成（如图1b所示）。通过位相调控，研究团队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，极大地增强了非线性耦合效应，实现了磁子频率梳的显著增长（如图1c所示）。该增强效应并非依赖于提高驱动功率，而是通过优化非线性耦合过程本身。此外，光诱导磁子的高度可调特性使得可以通过简单操控泵浦功率、频率和极化来精确控制磁子频率梳。
在这项工作中，团队巧妙地融合了磁子频率梳与非厄米奇异点这两个关键概念，并展示了通过耗散来操控非线性磁子模式的能力，这对于非厄米物理和磁子电子学这两个领域均有重要的意义。本研究开发的高效磁子频率梳生成方法不仅推动了磁子电子学中宽频带、离散且相干自旋波源的研究，还有望在灵敏的光电检测应用中发挥建设性作用。
同期，研究人员、业内专家和编辑团队联合，在Nature Physics研究简报（Research Briefing）专栏在线发表了题为《增强磁子频率梳的产生》（“Enhanced generation of magnonic frequency combs”）的推介文章。专家评价利用奇异点来放大耦合作用，并增加谱线数目的想法极为巧妙，对磁子电子学和凝聚态物理研究均有促进作用。Nature Physics编辑团队指出，这一研究工作架起了非厄米物理和磁子频率梳之间的桥梁，并展现了量子信息处理中的应用潜力。其研究构架是可控的、不依赖谐振腔的平台，回避了电荷噪声和焦耳热，这一特点令人兴奋。
这项研究成果由中国科学院上海技术物理研究所、上海科技大学、山东大学、华中科技大学和浙江大学等单位共同完成。中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂、陆卫研究员，山东大学饶金威研究员为论文通讯作者；合作作者包括上海技术物理研究所孙聊新副研究员、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、国家自然基金委国家重大科研仪器研制项目、优秀青年项目、上海市基础研究领域项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02478-0
图1：(a) 磁子模式（示意图中类比为陀螺）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；(b) 利用奇异点增强磁子频率梳原理图；（c）位相调控下磁子频率梳的显著增强
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