中國科大利用磁力系統實現寬帶磁聲混合頻率梳
我校郭光燦院士團隊在磁力系統研究取得新進展。該團隊的董春華教授研究組通過磁振子與高頻聲子相互作用，在磁力系統中實現寬帶磁聲混合頻率梳。該研究成果于2025年11月13日發表在國際學術期刊《PhysicsReviewLetters》。
磁振子系統因其能夠與光學光子、微波光子、機械聲子以及超導量子比特等多種自由度實現相互耦合，近年來已成為構建混合量子系統的理想平臺。此外，磁振子系統利用自旋（而非電荷）作為信息載體，使其在大規模、低功耗信息處理領域備受關注。研究團隊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-力學相互作用，在具有機械模式的諧振腔中實驗產生了磁振子頻率梳，解鎖了磁子頻率梳用于傳感和計量的潛力(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，并支持高品質光學模式與長壽命機械振動，但其球腔結構導致模式體積較大、非線性系數較低，從而限制了磁子頻率梳的頻譜寬度，也制約了磁振子系統向大規模、可擴展方向的發展。
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-機械聲子之間相互作用示意圖；c.實驗測試系統示意圖。
針對上述難題，研究團隊通過實驗在釔鐵石榴石薄膜器件中構建了克爾非線性磁機械系統，該器件支持磁振子模式與多個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械聲子的模式體積進一步降低，磁非線性系數顯著增強，系統在低激發功率下即可清晰觀測到的磁振子雙穩態現象。得益于顯著的非線性效應，研究團隊首次成功激發了磁子-聲子混合頻率梳，并利用外部注入參考微波實現了克爾誘導的頻率梳同步現象，最終生成的頻率梳帶寬超過400MHz，對應的梳齒數目超過130根，如圖2所示。這項研究成果為集成磁振子學器件的發展奠定了基礎，該器件在片上信號處理和超靈敏檢測方面具有巨大的應用潛力，開辟了非線性混合磁振子學研究的新前沿。
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。上述研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、量子信息與量子科技前沿協同創新中心等單位的支持。
附論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zw18-26nw
（量子網絡安徽省重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）
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