中國科學技術大學郭光燦院士團隊在磁力系統(tǒng)研究取得新進展。該團隊的董春華教授研究組通過磁振子與高頻聲子相互作用,在磁力系統(tǒng)中實現(xiàn)寬帶磁聲混合頻率梳。該研究成果于2025年11月13日發(fā)表在國際學術期刊《Physics Review Letters》。
磁振子系統(tǒng)因其能夠與光學光子、微波光子、機械聲子以及超導量子比特等多種自由度實現(xiàn)相互耦合,近年來已成為構(gòu)建混合量子系統(tǒng)的理想平臺。此外,磁振子系統(tǒng)利用自旋(而非電荷)作為信息載體,使其在大規(guī)模、低功耗信息處理領域備受關注。研究團隊此前采用工藝成熟的釔鐵石榴石微球作為磁振子微腔,通過磁-力學相互作用,在具有機械模式的諧振腔中實驗產(chǎn)生了磁振子頻率梳,解鎖了磁子頻率梳用于傳感和計量的潛力(Phys. Rev. Lett. 131, 243601 (2023))。然而,目前廣泛使用的YIG微球雖具有較低的磁振子損耗,并支持高品質(zhì)光學模式與長壽命機械振動,但其球腔結(jié)構(gòu)導致模式體積較大、非線性系數(shù)較低,從而限制了磁子頻率梳的頻譜寬度,也制約了磁振子系統(tǒng)向大規(guī)模、可擴展方向的發(fā)展。
圖1:a.磁力薄膜微腔與微波諧振腔之間的耦合示意圖;
b.微波-磁振子-機械聲子之間相互作用示意圖;
c.實驗測試系統(tǒng)示意圖。
針對上述難題,研究團隊通過實驗在釔鐵石榴石薄膜器件中構(gòu)建了克爾非線性磁機械系統(tǒng),該器件支持磁振子模式與多個高次諧波體聲波模式耦合,如圖1所示。由于該薄膜器件將磁振子和機械聲子的模式體積進一步降低,磁非線性系數(shù)顯著增強,系統(tǒng)在低激發(fā)功率下即可清晰觀測到的磁振子雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。得益于顯著的非線性效應,研究團隊首次成功激發(fā)了磁子-聲子混合頻率梳,并利用外部注入?yún)⒖嘉⒉▽崿F(xiàn)了克爾誘導的頻率梳同步現(xiàn)象,最終生成的頻率梳帶寬超過400MHz,對應的梳齒數(shù)目超過130根,如圖2所示。這項研究成果為集成磁振子學器件的發(fā)展奠定了基礎,該器件在片上信號處理和超靈敏檢測方面具有巨大的應用潛力,開辟了非線性混合磁振子學研究的新前沿。
圖2:非線性注入鎖定得到超過130根梳齒的寬帶磁聲混合頻率梳。
博士后徐冠庭、沈鎮(zhèn)副教授、博士生張勱為該論文的共同第一作者,董春華教授為該論文的通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。
附論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zw18-26nw
(量子網(wǎng)絡安徽省重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)
新聞鏈接:https://news.ustc.edu.cn/info/1048/93272.htm
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