中国科学家发现新磁子态 或可用于芯片和雷达

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3月10日,上海科技大学官网发布消息称,上海科技大学物质科学与技术学院陆卫教授课题组近日在光子-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(pump-induced magnon mode, PIM)。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。

该成果发表在物理学领域旗舰期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

论文的标题是《一种与沃克模式强相互作用的光诱导磁子态》(Unveiling a Pump-Induced Magnon Mode via Its Strong Interaction with Walker Modes)。


上述消息称,陆卫教授团队的发现,突破了“垄断”该领域长达60多年的“Walker modes”这一范畴,发掘了新的磁子态,或可在雷达、通讯、信息无线传输等领域使用。

新的磁子态

1956年,美国新泽西州贝尔电话实验室的工作人员沃克(L. R. Walker)撰写论文,给出了磁性块体空间受限磁子态的数学描述,随后其论文发表,这一磁子态被称为Walker modes。在随后的60多年中,块体磁性材料中研究的磁子态几乎都属于Walker modes范畴。

电子科技大学物理学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室严鹏教授等人2023年发表在中文学术期刊《物理学报》上的综述文章《磁子学中的拓扑物态与量子效应》一文介绍,量子化的自旋波称为磁子(magnon)。

而自旋波(spin wave)是磁性体系中自旋进动的集体激发态,最早由物理学家布洛赫(Bloch, 1952 年诺贝尔物理学奖获得者)于1930年提出,用来解释铁磁体自发磁化强度随温度变化的重要规律,随后在1957年被物理学家布罗克豪斯(Brockhouse, 1994年诺贝尔物理学奖获得者)采用非弹性中子散射实验所证实。

自旋波的波长可以小到几个纳米, 能够提高信息的存储密度, 有利于磁子器件的微型化和高集成度。而且,自旋波的传输不涉及电子的运动, 既可以在磁性金属中传播, 也可以在磁性绝缘体中传播, 避免了由于焦耳热产生的功耗。

每个磁子携带一个约化普朗克常量的自旋角动量,因此,磁子也可以像电子一样承载和传递自旋信息。磁子学的主要目的就是将信息载体替换为自旋波, 通过自旋波来进行信息传输和逻辑计算。此前的信息载体是电子的电荷或自旋属性。

上海科技大学上述消息称,磁子态是电子自旋应用中的核心概念,它是磁性材料中的自旋集体激发。宏观磁性的起源主要是材料中未配对的电子。电子有两个众所周知的基本属性:电荷与自旋。前者是所有电子器件操控的对象。而自旋,尤其是磁性绝缘体中的自旋,能够完全避免传导电子的欧姆损失,充分发挥自旋长寿命、低耗散的优势,因此对于开发自旋电子学器件意义重大。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。


最新发表的研究发现,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,该自旋波可被命名为“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,并能被激励微波调控。

电子的自旋示意图:上自旋(左)和下自旋(右)。来自《候鸟的量子力学:自旋、纠缠态与地磁导航》一文。

中国科学院高能物理研究所官网关于“电子自旋”的介绍称,出于量子场论的需要,自旋概念被引入。不但电子存在自旋,中子、质子、光子等所有微观粒子都存在自旋,只不过取值不同。自旋和静质量、电荷等物理量一样,也是描述微观粒子固有属性的物理量。自旋为0的粒子像一个圆点:从任何方向看都一样。而自旋为1的粒子像一个箭头:从不同方向看是不同的。

自旋不同于自转。中国科学院高能物理研究所微信公众号发布的《候鸟的量子力学:自旋、纠缠态与地磁导航》一文介绍,我们无法从经典的角度来理解自旋。目前的理论和实验都没有发现电子的半径下限,因此电子是被当作点粒子来对待的。根据泡利不相容原理,两个电子不能处在同一个状态上,因此原子核周围的电子一般都是成对分布的,一个原子轨道上可以容纳两个电子,一个自旋向上,一个自旋向下。这两个电子的自旋取向不能相同,处在一种关联的状态,也就是我们通常所说的量子纠缠态。

激发态被用于描述原子、分子等吸收能量后,电子被激发到更高能级的状态。此后,电子可能在短时间内向较低能级跃迁,释放出一定的能量,比如释放出光子,或返回基态。

不存在电子噪声,可用于雷达精准探测

上海科技大学上述消息称,芯片的研发主要遵循着摩尔定律,即每18个月到两年间,芯片的性能会翻一倍。然而,随着人类社会逐渐步入后摩尔时代,一味降低芯片制程受到了“极限挑战”。处理器性能翻倍的时间延长,“狂飙”的发展势头遇到了技术瓶颈。在市场需求驱动下,人们迫切需要“新鲜血液”的注入,来激活低功耗、高集成化、高信息密度信息处理载体的出路。基于磁性材料发展建立的自旋电子学以及磁子电子学发展迅猛,为突破上述限制提供了出路。

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研究团队还发现,最新发表的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。

频率梳(上)。非线性磁振子-斯格明子散射(magnon-skyrmion scattering)产生自旋波频率梳示意图。来自《Magnonic Frequency Comb through Nonlinear Magnon-Skyrmion Scattering》。

相较于微波谐振电路中产生的频率梳,这一新型频率梳不存在电子噪声,因此,有望在信息技术中实现超低噪声的信号转换。

“常规磁子强耦合态依赖于谐振腔才能构建……我们则摆脱了这一依赖,通过外加微波诱导,即可产生磁子强耦合态。这样的开放边界下的耦合态有望像乐高一样有序组合,获得丰富的功能性。”团队负责人陆卫教授表示。

陆卫表示,“我们发现的频率梳在微波频段,这是雷达、通讯、信息无线传输使用的频段,可以预测,我们的频率梳必然能在这些领域中发挥作用。”

陆卫解释,频率梳就像是一把游标卡尺,能够对频谱上的风吹草动进行精准的测量。此前人们发现的光学频率梳(光频梳)就在原子钟、超灵敏探测中展现了令人惊叹的精度。

该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。

论文链接:

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

来源: 澎湃新闻


 

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