7月13日，国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》在线发表了华中科技大学物理学院王棋教授领导的纳米磁子学物理与器件课题组最新研究成果，论文题为《Stimulated Magnonic Frequency Combs》（受激磁子频率梳）。课题组硕士研究生郭雪玉、电子科大博士生龚天赐和中科院物理所博士后兰贵彬为论文共同第一作者，电子科技大学严鹏教授、中国科学院物理研究所于国强研究员和王棋教授为共同通讯作者，华中科技大学物理学院为第一完成单位。此外，中国科学院物理研究所韩秀峰研究员也参与了该项研究工作。

频率梳（Frequency Comb）是一系列等间隔排列的离散频率谱线，自诞生以来已成为精密测量领域最重要的工具之一。近年来，随着磁子学（Magnonics）的快速发展，利用自旋波（Spin Wave）的非线性相互作用构建磁子频率梳成为国际研究热点。与光学频率梳相比，磁子频率梳具有工作于微波频段、非线性作用强、易于片上集成等优势，在微波信号处理、弱磁探测、量子磁子学和类脑计算等领域具有重要应用前景。然而，传统磁子频率梳主要依赖三磁子散射过程，受到严格的能量和动量守恒限制，激发阈值高、调控能力有限，同时不同梳齿之间是否真正保持相干一直缺乏直接实验验证。

针对这一难题，研究团队提出了一种受激磁子频率梳的新机制。如图1所示，研究人员在有限尺寸磁性矩形结构中引入一个低频种子信号，通过受激三磁子散射过程显著降低了磁子频率梳的激发阈值，实现了频率梳的稳定产生。与传统方案相比，该方法能够实现梳齿间隔和梳齿数量的独立调控：频率梳间隔由种子频率决定，而梳齿数量则由种子功率控制，从而实现了磁子频率梳谱结构的灵活可编程调节。理论分析、微磁学模拟和实验结果三者高度一致，验证了该机制的正确性。

图1受激磁子频率梳产生原理及实验结果。（a）实验装置示意图；（b）单频激励与双频激励下的布里渊光散射频谱及对应空间模式分布。

频率梳最重要的特征不仅是等间隔谱线，更重要的是不同梳齿之间具有稳定的相位关系。为此，研究团队搭建了相敏异频测量系统，对不同频率梳齿进行了直接相位测量。如图2所示，实验直接观测到不同频率梳齿之间长期保持稳定的相位差，证明了所产生的磁子频率梳具有真正的相干性，而不仅仅是普通的非线性频谱展宽。这一结果为磁子频率梳应用于高精度测量、相干信息处理和量子磁子学奠定了重要实验基础。

图2磁子频率梳相干性的直接验证。（a）相敏异频测量系统示意图；（b）不同频率梳齿的瞬时相位及相位差演化，证明不同梳齿之间保持稳定锁相。

进一步研究发现，受激磁子频率梳具有良好的可调控特性。通过调节外加磁场、种子频率和种子功率，可以连续调控频率梳的散射效率、频率间隔以及覆盖频谱范围，实现了频率梳性能的精确控制。研究团队建立了完整的理论模型，揭示了受激三磁子散射过程中不同模式之间的能量交换规律，并与实验结果高度吻合。该工作突破了传统三磁子散射受限于严格动量守恒和高激发阈值的瓶颈，为片上可调磁子频率梳、微波频率合成、高灵敏磁场传感以及新型磁子信息处理器件的发展提供了新的技术路线。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院院长国际合作计划（PIFI）等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9d2s-4gf7