我校郭光灿院士团队在磁力系统研究取得新进展。该团队的董春华教授研究组通过磁振子与高频声子相互作用，在磁力系统中实现宽带磁声混合频率梳。该研究成果于2025年11月13日发表在国际学术期刊《PhysicsReviewLetters》。
磁振子系统因其能够与光学光子、微波光子、机械声子以及超导量子比特等多种自由度实现相互耦合，近年来已成为构建混合量子系统的理想平台。此外，磁振子系统利用自旋(而非电荷)作为信息载体，使其在大规模、低功耗信息处理领域备受关注。研究团队此前采用工艺成熟的钇铁石榴石微球作为磁振子微腔，通过磁-力学相互作用，在具有机械模式的谐振腔中实验产生了磁振子频率梳，解锁了磁子频率梳用于传感和计量的潜力(Phys. Rev. Lett. 131, 243601 (2023))。然而，目前广泛使用的YIG微球虽具有较低的磁振子损耗，并支持高品质光学模式与长寿命机械振动，但其球腔结构导致模式体积较大、非线性系数较低，从而限制了磁子频率梳的频谱宽度，也制约了磁振子系统向大规模、可扩展方向的发展。
图1：a.磁力薄膜微腔与微波谐振腔之间的耦合示意图；b.微波-磁振子-机械声子之间相互作用示意图；c.实验测试系统示意图。
针对上述难题，研究团队通过实验在钇铁石榴石薄膜器件中构建了克尔非线性磁机械系统，该器件支持磁振子模式与多个高次谐波体声波模式耦合，如图1所示。由于该薄膜器件将磁振子和机械声子的模式体积进一步降低，磁非线性系数显著增强，系统在低激发功率下即可清晰观测到的磁振子双稳态现象。得益于显著的非线性效应，研究团队首次成功激发了磁子-声子混合频率梳，并利用外部注入参考微波实现了克尔诱导的频率梳同步现象，最终生成的频率梳带宽超过400MHz，对应的梳齿数目超过130根，如图2所示。这项研究成果为集成磁振子学器件的发展奠定了基础，该器件在片上信号处理和超灵敏检测方面具有巨大的应用潜力，开辟了非线性混合磁振子学研究的新前沿。
图2：非线性注入锁定得到超过130根梳齿的宽带磁声混合频率梳。
博士后徐冠庭、沈镇副教授、博士生张劢为该论文的共同第一作者，董春华教授为该论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等单位的支持。
