光学频率梳，这种由离散光谱线构成的频谱，因其在频域中展现出等间距、梳状的信号分布而得名。时间频率是目前可测量的最精确物理量之一，诺贝尔物理学奖得主、激光技术的先驱亚瑟·肖洛曾言：“Never measure anything but frequency”，意为频率是目前可以被测得最准的物理量。光学频率梳的诞生极大地提高了频率测量的精度。自问世以来，频率梳已在原子钟、卫星导航、精密距离测量和分子识别等多个技术领域中发挥了重要作用。2005年诺贝尔物理学奖便是颁发给了从事这项重大发现的科学家。
光学频率梳的广泛应用极大鼓舞了研究者对其他类型频率梳的探索热情。特别是在磁子电子学领域，研究人员使用固态物质中的自旋集体激发来取代光子，成功创造了磁子频率梳，拓展了频率梳的研究和应用范围。磁子频率梳的激发依赖于材料的非线性效应，然而这种效应通常微弱且难以精确控制。因此，传统的磁子频率梳需要较高的功率密度才能产生极为有限的梳齿。这极大阻碍了磁子频率梳向高效、片上集成、可调节的磁子功能器件转化的进程。
针对上述挑战，上海科技大学物质科学与技术学院的陆卫教授团队联合中国科学院上海技术物理研究所、山东大学物理学院等团队，通过在光诱导磁子态中构建磁子态奇异点，显著提升了磁子频率梳的产生效率（图1）。这项研究不仅增加了磁子频率梳的频带宽度和梳齿数量，而且降低了其激发的阈值，创造了拥有32齿的磁子频率梳的最高纪录。这一突破性成果近日发表在国际学术期刊《自然-物理》(Nature Physics)上。
图1：磁子模式（示意图中类比为陀螺）间的特殊耦合状态，能显著提高磁子频率梳（示意图中表示为七彩光带）的产生效率。
磁子频率梳的生成密切依赖于磁动力学的非线性特性。研究团队最新发现的光诱导磁子态在这一非线性需求方面展现出独特的优势。与常规磁子模式不同，光诱导磁子态在其有效磁矩受微波泵浦的相干控制方面呈现出磁矩更低、阻尼更小的独特优势。在微波驱动功率较低的情况下，它更容易引发较大的进动偏角，从而形成显著的深度非线性效应。这种非线性特性使光诱导磁子态能够与常规磁子模式之间的耦合过程受到外部场的有效调制，进而促成了磁子频率梳的形成（如图2a所示）。这一发现为解决磁子频率梳生成中的挑战提供了一种新的策略，即通过磁子模式之间的耦合强度来实现。
通过调节微波干涉，实现了对光诱导磁子耦合过程及其非线性响应的精确操控。该工作以干涉效应调节磁性样品处的微波极化，进而引导耦合磁振子系统接近“奇异点”——本征模式融合且对扰动极为敏感的关键状态。这一策略极大地增强了非线性耦合效应，从而实现了磁子频率梳的显著增长。值得注意的是，这种增强并非依赖于提高驱动功率，而是通过优化非线性耦合过程本身。此外，得益于光诱导磁子的可调特性，科研人员能够通过简单调整泵浦功率、频率和极化来精确控制磁子频率梳。如图2b所示，在泵浦功率低至0.4毫瓦的条件下，磁子频率梳在接近奇异点的情况下，其齿数可显著增至32齿。
图2：利用奇异点增强磁子频率梳
这项创新性的研究巧妙融合了磁子频率梳与非厄米奇异点这两个关键概念，并展示了通过耗散来操纵非线性磁子模式的能力，这对于非厄米物理和磁子电子学这两个领域均有重要的意义。磁子频率梳能够在片上多功能器件中，提供宽频带、离散且相干的自旋波。本研究开发的高效磁子频率梳生成方法不仅推动了磁子电子学中自旋波源的研究，还有望在敏感磁场检测应用中发挥建设性作用。
本项研究成果由上海科技大学和中国科学院上海技术物理研究所、山东大学等单位共同合作完成，上海科技大学为第一完成单位。上海科技大学物质学院2024届硕士研究生王丛逸为论文第一作者，山东大学饶金威研究员、中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂研究员和上海科技大学陆卫教授为论文通讯作者。
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Enhancement of magnonic frequency combs by exceptional points
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