突破！中國科學家發現新磁子態 或可用於芯片和雷達_風聞

澎湃新聞

2023年03月12日 10:22:25 來自上海市

3月10日，上海科技大學官網發佈消息稱，上海科技大學物質科學與技術學院陸衞教授課題組近日在光子-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（pump-induced magnon mode, PIM）。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。

該成果發表在物理學領域旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

論文的標題是《一種與沃克模式強相互作用的光誘導磁子態》（Unveiling a Pump-Induced Magnon Mode via Its Strong Interaction with Walker Modes）。

上述消息稱，陸衞教授團隊的發現，突破了“壟斷”該領域長達60多年的“Walker modes”這一範疇，發掘了新的磁子態，或可在雷達、通訊、信息無線傳輸等領域使用。

新的磁子態

1956年，美國新澤西州貝爾電話實驗室的工作人員沃克（L. R. Walker）撰寫論文，給出了磁性塊體空間受限磁子態的數學描述，隨後其論文發表，這一磁子態被稱為Walker modes。在隨後的60多年中，塊體磁性材料中研究的磁子態幾乎都屬於Walker modes範疇。

電子科技大學物理學院,、電子薄膜與集成器件國家重點實驗室嚴鵬教授等人2023年發表在中文學術期刊《物理學報》上的綜述文章《磁子學中的拓撲物態與量子效應》一文介紹，量子化的自旋波稱為磁子(magnon)。

而自旋波(spin wave)是磁性體系中自旋進動的集體激發態，最早由物理學家布洛赫(Bloch, 1952 年諾貝爾物理學獎獲得者)於1930年提出，用來解釋鐵磁體自發磁化強度隨温度變化的重要規律，隨後在1957年被物理學家布羅克豪斯(Brockhouse, 1994年諾貝爾物理學獎獲得者)採用非彈性中子散射實驗所證實。

自旋波的波長可以小到幾個納米, 能夠提高信息的存儲密度, 有利於磁子器件的微型化和高集成度。而且，自旋波的傳輸不涉及電子的運動, 既可以在磁性金屬中傳播, 也可以在磁性絕緣體中傳播, 避免了由於焦耳熱產生的功耗。

每個磁子攜帶一個約化普朗克常量的自旋角動量，因此，磁子也可以像電子一樣承載和傳遞自旋信息。磁子學的主要目的就是將信息載體替換為自旋波, 通過自旋波來進行信息傳輸和邏輯計算。此前的信息載體是電子的電荷或自旋屬性。

上海科技大學上述消息稱，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。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。而自旋，尤其是磁性絕緣體中的自旋，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，因此對於開發自旋電子學器件意義重大。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。

最新發表的研究發現，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盪的自旋波，該自旋波可被命名為“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，並能被激勵微波調控。

電子的自旋示意圖：上自旋（左）和下自旋（右）。來自候鳥的量子力學：自旋、糾纏態與地磁導航》一文。

中國科學院高能物理研究所官網關於“電子自旋”的介紹稱，出於量子場論的需要，自旋概念被引入。不但電子存在自旋，中子、質子、光子等所有微觀粒子都存在自旋，只不過取值不同。自旋和靜質量、電荷等物理量一樣，也是描述微觀粒子固有屬性的物理量。自旋為0的粒子像一個圓點：從任何方向看都一樣。而自旋為1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的。

自旋不同於自轉。中國科學院高能物理研究所微信公眾號發佈的《候鳥的量子力學：自旋、糾纏態與地磁導航》一文介紹，我們無法從經典的角度來理解自旋。目前的理論和實驗都沒有發現電子的半徑下限，因此電子是被當作點粒子來對待的。根據泡利不相容原理，兩個電子不能處在同一個狀態上，因此原子核周圍的電子一般都是成對分佈的，一個原子軌道上可以容納兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下。這兩個電子的自旋取向不能相同，處在一種關聯的狀態，也就是我們通常所説的量子糾纏態。

激發態被用於描述原子、分子等吸收能量後，電子被激發到更高能級的狀態。此後，電子可能在短時間內向較低能級躍遷，釋放出一定的能量，比如釋放出光子，或返回基態。

不存在電子噪聲，可用於雷達精準探測

上海科技大學上述消息稱，芯片的研發主要遵循着摩爾定律，即每18個月到兩年間，芯片的性能會翻一倍。然而，隨着人類社會逐漸步入後摩爾時代，一味降低芯片製程受到了“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。基於磁性材料發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。

研究團隊還發現，最新發表的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。

頻率梳（上）。非線性磁振子-斯格明子散射(magnon-skyrmion scattering)產生自旋波頻率梳示意圖。來自《Magnonic Frequency Comb through Nonlinear Magnon-Skyrmion Scattering》。

相較於微波諧振電路中產生的頻率梳，這一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。

“常規磁子強耦合態依賴於諧振腔才能構建……我們則擺脱了這一依賴，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。”團隊負責人陸衞教授表示。

陸衞表示，“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。”

陸衞解釋，頻率梳就像是一把遊標卡尺，能夠對頻譜上的風吹草動進行精準的測量。此前人們發現的光學頻率梳（光頻梳）就在原子鐘、超靈敏探測中展現了令人驚歎的精度。

該研究工作由上海科技大學、中國科學院上海技術物理研究所和華中科技大學三家單位共同完成，上海科技大學為第一完成單位。論文第一作者是上科大物質學院助理研究員饒金威，通訊作者是上科大物質學院陸衞教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究員和華中科技大學于濤教授。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046705