【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在磁力系統(tǒng)研究取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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(shí)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《PhysicsReviewLetters》。
 

　　磁振子系統(tǒng)因其能夠與光學(xué)光子、微波光子、機(jī)械聲子以及超導(dǎo)量子比特等多種自由度實(shí)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(tái)。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(lǐng)域備受關(guān)注。研究團(tuán)隊(duì)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(xué)相互作用，在具有機(jī)械模式的諧振腔中實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了磁振子頻率梳，解鎖了磁子頻率梳用于傳感和計(jì)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(xué)模式與長(zhǎng)壽命機(jī)械振動(dòng)，但其球腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(kuò)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(jī)械聲子之間相互作用示意圖；c.實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
 

　　針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)在釔鐵石榴石薄膜器件中構(gòu)建了克爾非線性磁機(jī)械系統(tǒng)，該器件支持磁振子模式與多個(gè)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(jī)械聲子的模式體積進(jìn)一步降低，磁非線性系數(shù)顯著增強(qiáng)，系統(tǒng)在低激發(fā)功率下即可清晰觀測(cè)到的磁振子雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。得益于顯著的非線性效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)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▽?shí)現(xiàn)了克爾誘導(dǎo)的頻率梳同步現(xiàn)象，最終生成的頻率梳帶寬超過400MHz，對(duì)應(yīng)的梳齒數(shù)目超過130根，如圖2所示。這項(xiàng)研究成果為集成磁振子學(xué)器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該器件在片上信號(hào)處理和超靈敏檢測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用潛力，開辟了非線性混合磁振子學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)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。