新年重磅推出 | 应用物理前沿推介系列No.1
前言
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
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本期推介
可用于磁振子器件的磁振子频率梳
频率梳是指一系列离散的、等频率间隔的像梳子形状的光谱。在光学领域，光学频率梳就像一把“光尺”，能够对频率实现极其精确的测量。光频梳技术的发明被广泛认为是精密测量历史上具有革命性意义的进展，因此获得了2005年的诺贝尔物理学奖。同时，光频梳也促进了激光光谱学、阿秒激光物理等学科的发展，在基本物理学常数的精确测量、全球定位系统(GPS)精度的提高、化学反应的追踪、疾病的诊断等方面有着重要的应用。光学频率梳的巨大成功激发了研究者们在其他体系中探索频率梳存在的可能性，比如南京大学王牧和彭茹雯研究组与合作者于2014年从理论上预测了声子频率梳的存在 [1]，随后剑桥大学Ashwin Seshia教授研究组于2017年在实验上观测到了声子频率梳效应 [2]。
磁振子（量子化的自旋波）与光子、声子同属玻色子，应具有相同或类似的性质。2021年，中南大学郭光华研究组报道了自旋波与振荡的磁畴壁相互作用产生的自旋波频率梳 [3]，然而在微纳尺度上同时施加两个微波场分别去激发自旋波和畴壁的振荡，将增大实验上产生磁振子频率梳的难度。2021年，电子科技大学严鹏课题组与其合作者提出利用自旋波与磁性斯格明子之间的非线性散射来产生磁振子频率梳，并揭示了3-磁振子过程在频率梳产生过程中的决定性作用[4]。该方案需施加一个激发自旋波的微波源，当微波场振幅大于一定阈值时，斯格明子的呼吸模(breathing mode)会被激发出来。该呼吸模通过3-磁振子过程与入射自旋波耦合，产生和频(sum-frequency)与差频(difference-frequency)模。和频与差频模继续与呼吸模耦合产生更高阶的自旋波模，这一连锁反应最终导致了磁振子频率梳的形成，如图1所示。该方案为了激发斯格明子的呼吸模，自旋波的激发场振幅需要高于100 mT，实验上具有一定的难度；但可以通过改变自旋波的激发方式（如自旋转移力矩STT）来实现大振幅自旋波的产生，确保了该方案的可行性。
图1 非线性磁振子-斯格明子散射产生磁振子频率梳的示意图
2022年，华中科技大学熊豪教授提出利用共振增强的磁致伸缩效应的方案来产生磁振子频率梳 [5]，该方案要求材料具有很强的磁弹耦合强度，在材料选择上具有一定的限制性。同年，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心的Helmut Schultheiß研究组在实验上探测到通过4-磁振子过程在一维纳米带中产生的磁振子频率梳 [6]，然而对于二维或者更高维度的体系，4-磁振子过程是无法产生频率梳的。因此，如何简单且有效地产生磁振子频率梳是一个极具挑战的问题。
2022年，电子科技大学严鹏课题组进一步将自旋波的轨道角动量属性引入磁振子频率梳的研究。携带轨道角动量的自旋波称之为涡旋自旋波，一般存在于具有旋转对称性的体系中，如圆盘、圆柱等。他们通过研究以磁涡旋为基态的纳米圆盘中涡旋自旋波与涡核旋进模式之间的非线性散射实现了磁振子频率梳的产生，频率梳的间隔等于涡核的旋进频率，且相邻谱线携带的轨道角动量量子数相差1，如图2(a)所示。他们进一步研究还发现当涡核的旋进速度大于涡旋自旋波的波前速度 (ωg>ωl/l)，会出现类似于天文学中的彭罗斯超辐射现象 [7]。此时, 涡核相当于一个旋转的黑洞，频率梳中的高阶模式会获得涡核的旋进能量从而逃逸出去，其振幅得到放大；而低阶模式的能量会被旋进的涡核吸收，振幅降低，被束缚在涡核旋进轨道内部，如图2(b)所示。
图2 (a) 涡旋自旋波与旋进的涡核之间非线性散射产生涡旋自旋波频率梳的示意图；(b) 涡旋自旋波发生彭罗斯超辐射效应时频率梳模式的振幅以及模式分布。
在磁振子频率梳方面的研究预言了自旋波-斯格明子非线性散射、自旋波-磁涡旋非线性散射诱导产生的磁振子频率梳效应，该发现适用于一大类磁孤子，如磁半子(magnetic meron)、磁霍普夫子(magnetic hopfion)等，开启了基于拓扑磁结构的自旋波频率梳研究的大门，并能够推广至反铁磁体系从而产生太赫兹(THz)波段的频率梳。磁振子频率梳的发现有望在微波精密测量、磁传感、磁振子通信等方面带来技术革新。其中，涡旋自旋波频率梳的每个谱线模式都携带着不同的轨道角动量，可以加载不同的信号，有望实现基于轨道角动量的多路复用，提高磁振子通信的信道容量，解决目前物联网、云计算、大数据、人工智能以及 5G 等新兴技术的应用需求。另外，磁振子彭罗斯超辐射效应的发现为磁振子学和天文学的学科交叉提供了新的思路。
推荐人
柴国志 柴国志 兰州大学物理科学与技术学院教授，凝聚态物理博士生导师，电子科学与技术、电子信息（集成电路工程）硕士导师。主要从事基于布里渊散射的磁振子行为、微波光子-磁振子耦合、高频磁性材料、磁性功能器件等方面的研究。
参考文献
[1] L. S. Cao, D. X. Qi, R. W. Peng, M. Wang, and P. Schmelcher, Phononic Frequency Comb through Nonlinear Resonance, Phys. Rev. Lett. 112, 075505 (2014).
[2] A. Ganesan, C. Do, and A. Seshia, Phononic Frequency Comb via Intrinsic Three-Wave Mixing, Phys. Rev. Lett. 118, 033903 (2017).
[3] Z. W. Zhou, X. G. Wang, Y. Z. Nie, Q. L. Xia and G. H. Guo, Spin wave frequency comb generated through interaction between propagating spin wave and oscillating domain wall, J. Magn. Magn. Mater. 534, 168046 (2021).
[4] Z. Wang, H. Y. Yuan, Y. Cao, Z. X. Li, R. A. Duine, and P. Yan, Magnonic Frequency Comb through Nonlinear Magnon-Skyrmion Scattering, Phys. Rev. Lett. 127, 037202 (2021).
[5] T. Hula, K. Schultheiss, F. J. T. Goncalves, L. Körber, M. Bejarano, M. Copus, L. Flacke, L. Liensberger, A. Buzdakov, A. Kákay, M. Weiler, R. Camley, J. Fassbender, and H. Schultheiß, Spin-wave frequency combs, Appl. Phys. Lett. 121, 112404 (2022).
[6] H. Xiong, Magnonic frequency combs based on the resonantly enhanced magnetostrictive effect, Fundam. Res. In Press (2022).
[7] Z. Wang, H. Y. Yuan, Y. Cao, and P. Yan, Twisted Magnon Frequency Comb and Penrose Superradiance, Phys. Rev. Lett. 129, 107203 (2022).
中国物理学会应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
设计：不言
排版：不言
美编：农民
责编：不言
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