近日，紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚碧霂、陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)物理學(xué)院饒金威團(tuán)隊(duì)合作，聯(lián)合上?？萍即髮W(xué)、華中科技大學(xué)和浙江大學(xué)等單位，通過在光誘導(dǎo)電子自旋強(qiáng)耦合態(tài)中構(gòu)建奇異點(diǎn)，以光電耦合位相調(diào)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(chǎn)生效率（如圖1a示意），創(chuàng)造了磁子體系中頻率梳齒數(shù)的最高紀(jì)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(xué)頻率梳由離散光譜線構(gòu)成，展現(xiàn)出等間距、梳狀的信號分布。諾獎(jiǎng)得主Arthur Schawlow曾言：‘Never measure anything but frequency’，以強(qiáng)調(diào)頻率維度的重要性。光學(xué)頻率梳極大地提高了頻率測量的精度，在衛(wèi)星導(dǎo)航、精密距離測量、原子鐘和分子識別等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，也因此其發(fā)現(xiàn)者榮獲2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光學(xué)頻率梳的成功應(yīng)用激勵(lì)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(dú)特優(yōu)勢，其靈活的自旋動(dòng)力學(xué)調(diào)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(yīng)，需要較高功率密度才能產(chǎn)生有限的梳齒，限制了其向高效、片上集成、可調(diào)節(jié)的磁子功能器件轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。

研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)現(xiàn)的光誘導(dǎo)磁子態(tài)（Physical Review Letters 130 ，046705 (2023)）展現(xiàn)出獨(dú)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(dǎo)泵浦的相干控制，其磁矩更低、阻尼更小，在驅(qū)動(dòng)功率較低時(shí)能引發(fā)較大進(jìn)動(dòng)偏角，形成顯著非線性效應(yīng)，促成磁子頻率梳的形成（如圖1b所示）。通過位相調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對光誘導(dǎo)磁子耦合過程及其非線性響應(yīng)的精確操控，極大地增強(qiáng)了非線性耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了磁子頻率梳的顯著增長（如圖1c所示）。該增強(qiáng)效應(yīng)并非依賴于提高驅(qū)動(dòng)功率，而是通過優(yōu)化非線性耦合過程本身。此外，光誘導(dǎo)磁子的高度可調(diào)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(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)巧妙地融合了磁子頻率梳與非厄米奇異點(diǎn)這兩個(gè)關(guān)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(xué)這兩個(gè)領(lǐng)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(dòng)了磁子電子學(xué)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(yīng)用中發(fā)揮建設(shè)性作用。

同期，研究人員、業(yè)內(nèi)專家和編輯團(tuán)隊(duì)聯(lián)合，在Nature Physics研究簡報(bào)（Research Briefing）專欄在線發(fā)表了題為《增強(qiáng)磁子頻率梳的產(chǎn)生》（“Enhanced generation of magnonic frequency combs”）的推介文章。專家評價(jià)利用奇異點(diǎn)來放大耦合作用，并增加譜線數(shù)目的想法極為巧妙，對磁子電子學(xué)和凝聚態(tài)物理研究均有促進(jìn)作用。Nature Physics編輯團(tuán)隊(duì)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(xiàn)了量子信息處理中的應(yīng)用潛力。其研究構(gòu)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(diǎn)令人興奮。

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

該項(xiàng)目得到了中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然基金委國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、優(yōu)秀青年項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究領(lǐng)域項(xiàng)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(chǎn)生效率；(b) 利用奇異點(diǎn)增強(qiáng)磁子頻率梳原理圖；（c）位相調(diào)控下磁子頻率梳的顯著增強(qiáng)