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                      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??萍即髮W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?;诖判圆牧习l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。

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                      ? ? ? ?“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?!眻F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?!?/span>

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                      ? ? ? ?來源:電子工程世界

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