突破：中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新磁子態(tài)，或可用于芯片和雷達(dá) 2023-03-14
近日，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)，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(kāi)了全新的維度。研究中揭示的新型磁子強(qiáng)耦合物態(tài)，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(duì)推動(dòng)磁子在微波工程和量子信息處理中的應(yīng)用具有重要作用。該成果發(fā)表于物理學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
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(lèi)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(lái)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。
宏觀(guān)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。利用電子電荷屬性發(fā)展的微電子器件，已經(jīng)引發(fā)了信息產(chǎn)業(yè)的革命。然而，面對(duì)難以抑制的歐姆損耗，以及信息產(chǎn)業(yè)對(duì)更高密度存儲(chǔ)和先進(jìn)量子計(jì)算的渴求，人們迫切希望進(jìn)一步利用電子自旋作為信息載體，發(fā)展自旋電子學(xué)器件，進(jìn)而繼續(xù)推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。尤其是磁性絕緣體中的自旋，它們能夠完全避免傳導(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(kāi)發(fā)自旋電子學(xué)器件意義重大。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)。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(fā)生相互作用，進(jìn)而重塑材料的聲光電磁等物性。此外，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。正是由于這些性質(zhì)與應(yīng)用潛力，近年來(lái)關(guān)于磁子的研究引起國(guó)際學(xué)界的高度關(guān)注，磁子電子學(xué)、量子磁電子學(xué)等新興領(lǐng)域相繼誕生。
鐵磁絕緣體單晶球中的磁子態(tài)，最早于 1956 年由美國(guó)物理學(xué)家 Robert L. White 和 Irvin H. Slot Jr.在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同一年 L. R. Walker 給出了磁性塊體空間受限磁子態(tài)的數(shù)學(xué)描述，稱(chēng)為 Walker modes。在隨后長(zhǎng)達(dá) 70 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。陸衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)突破了這一范疇，發(fā)掘了新的磁子態(tài)。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（圖 (a)），該自旋波可被稱(chēng)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(wú)法按傳統(tǒng)探測(cè)方法直接觀(guān)測(cè)，但可通過(guò)其與 Walker modes 強(qiáng)耦合產(chǎn)生的能級(jí)劈裂被間接觀(guān)察到（圖 (b)）。光誘導(dǎo)磁子態(tài)的有效自旋數(shù)受激勵(lì)微波調(diào)控，因此當(dāng)改變激勵(lì)微波的功率時(shí)，耦合劈裂的大小會(huì)按照功率四分之一次方的關(guān)系變化（圖 (c)），展現(xiàn)出和常規(guī) [**]utler-Townes 劈裂不一樣的功率依賴(lài)關(guān)系。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)磁子態(tài)具有豐富的非線(xiàn)性，這種非線(xiàn)性會(huì)產(chǎn)生一種磁子頻率梳（圖 (d)）。相較于微波諧振電路中產(chǎn)生的頻率梳，這一絕緣體中產(chǎn)生的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(lài)于諧振腔才能構(gòu)建，當(dāng)諧振腔換成開(kāi)放器件，眾所周知強(qiáng)耦合特征會(huì)悉數(shù)消失。我們則擺脫了這一依賴(lài)，通過(guò)外加微波誘導(dǎo)，即可產(chǎn)生磁子強(qiáng)耦合態(tài)。這樣的開(kāi)放邊界下的耦合態(tài)有望像樂(lè)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，“頻率梳就像是一把游標(biāo)卡尺，能夠精準(zhǔn)的測(cè)量頻譜上的風(fēng)吹草動(dòng)。利用這個(gè)原理，光頻梳在原子鐘、超靈敏探測(cè)中展現(xiàn)了令人驚嘆的精度。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(wú)線(xiàn)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。”
來(lái)源：電子工程世界