近日，上海科技大学物质科学与技术学院陆卫教授课题组在光子-磁子相互作用及强耦合调控方向取得重要进展。研究团队首次在铁磁绝缘体单晶中发现了一种全新的磁共振，命名为光诱导磁子态，此项发现为磁子电子学和量子磁学的研究打开了全新的维度。研究中揭示的新型磁子强耦合物态，能极大改变铁磁单晶的电磁特性，为光子与磁子的纠缠提供新的思路，这对推动磁子在微波工程和量子信息处理中的应用具有重要作用。区别于传统的磁子态，光诱导磁子态有效自旋数受泵浦光调控展现出优异的调谐性和非线性，这些优势有望推进新型量子混合物态功能器件的设计和无电荷噪声的磁子频率梳的发展，对于高灵敏光电探测、相干信息转化具有重要的实用价值。该成果发表于物理学领域旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
电荷和自旋是电子的两个基本内禀属性。近几十年利用电子电荷属性发展的微电子器件，已经引发了信息产业的革命。同时，面对抑制器件功耗的需求，进一步利用电子自旋属性将有望以自旋作为信息载体，发展新的器件，实现更高密度的数据存储和先进的量子计算。特别是绝缘体中自旋信息的传播，能够避免流动电子的欧姆损失，充分发挥自旋长寿命、低耗散的信息载体优势。磁子是电子自旋应用中的核心概念，它描述了自旋受集体激发时的行为。磁子可以与不同的物理体系，例如声子、光子、电子等，发生相互作用，进而极大改变材料的声光电磁等物性。此外，磁子还可以与超导量子比特相互作用，在量子信息技术中发挥重要作用。正是由于这些性质与应用潜力，近年来关于磁子的研究引起国际学界的高度关注，磁子电子学、量子磁电子学等新兴领域相继诞生。
铁磁绝缘体单晶球中的磁子态，最早于1956年由美国物理学家Robert L. White和Irvin H. Slot Jr.在实验中发现。根据他们的实验结果，同一年L. R. Walker给出了此类磁性块体对自旋波的空间约束态的数学描述，称为Walker modes。在随后长达70年中，块体磁性材料中研究的磁子态几乎都局限于Walker modes范畴。
陆卫教授团队的发现突破了这一范畴，发掘了新的磁子态模式。在低磁场下，铁磁绝缘体单晶球在受到强微波激励时，内部的非饱和自旋会获得一定的协同性，产生一个与微波激励信号同频率振荡的自旋波（图(a)），该自旋波可被称为“光诱导磁子态（pump-induced magnon mode, PIM）”。光诱导磁子态如同一种“暗”态，无法按传统探测方法直接观测，但可通过其与Walker modes强耦合产生的能级劈裂被间接观察到（图(b)）。光诱导磁子态的有效自旋数受激励微波调控，因此当改变激励微波的功率时，耦合劈裂的大小会按照功率四分之一次方的关系变化（图(c)），展现出和常规Autler-Townes劈裂不一样的功率依赖关系。此外，研究团队还发现光诱导磁子态具有丰富的非线性，这种非线性会产生一种磁子频率梳（图(d)）。相较于微波谐振电路中产生的频率梳，这一绝缘体中产生的新型频率梳提供了避免电子噪声的途径，有望在信息技术中实现超低噪声的信号转换。
图（a）光诱导磁子态原理示意图，（b）光诱导磁子态的强耦合色散图，（c）强耦合劈裂随微波激励功率的幂次关系，（d）光诱导磁子非线性效应引发的纯磁子频率梳
本项研究工作由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所和华中科技大学三家单位共同完成，上海科技大学为第一完成单位。论文第一作者是上科大物质学院助理研究员饶金威，通讯作者是上科大物质学院陆卫教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究员和华中科技大学于涛教授。
论文标题：Unveiling a pump-induced magnon mode via its strong interaction with Walker modes
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046705
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