研究人员发现了用太赫兹光激发磁波的新通道

拨动吉他弦是一个简单的动作，可以产生一系列泛音的谐波。然而，熟练的吉他手可以通过在拨弦时对琴弦施加压力来提升他们的演奏能力。这种微妙的技巧使音符的音高弯曲——随着每个灵巧的动作而上升或下降——并通过有意利用吉他弦的“非线性效果”为音乐注入表现力、质感和个性。

在1月24日发表在 《自然物理学》（Nature Physics）杂志上的一项研究中，麻省理工学院（MIT）和德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的研究人员将这种音乐艺术与科学相提并论。这篇论文由麻省理工学院研究生Zhuquan Zhang，德克萨斯大学奥斯汀分校博士后Frank Gao博士’22，麻省理工学院Haslam和Dewey化学教授Keith Nelson以及德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授Edoardo Baldini撰写，展示了控制微小磁性位（通常称为“自旋波”或“磁振子”）的舞蹈模式的能力。“以非线性方式，类似于熟练的吉他手如何操纵吉他弦。

为此，研究人员使用强太赫兹（THz）场 – 专门设计的激光脉冲在极端红外频率下工作 – 在其特征频率下共振发射自旋波。但是，不是像人们通常预期的那样简单地激发一个自旋波，而是另一个具有更高频率的独特自旋波也被激发。“这真的让我们感到惊讶。这意味着我们可以非线性地控制这些磁性系统内的能量流，“Zhang说。

为了识别这些非线性激发途径，研究人员开发了一种复杂的光谱仪，以揭示不同自旋波之间的相互耦合并揭示它们的潜在对称性。“与肉眼容易看到的可见光不同，太赫兹光很难检测，”Gao解释道。“如果没有技术开发，这些实验将是不可能的，该技术使我们能够仅用单个光脉冲测量太赫兹信号。

该团队的工作为光如何以非常规方式与自旋相互作用提供了新的见解。由于这些微小的磁性比特的集体舞蹈运动及其传播消耗的能量比电荷少得多，因此它们因其彻底改变计算的潜力而吸引了科学家的大力宣传。这一发现提供了一种工具，使我们更接近基于自旋的高速信息处理的未来，使磁力晶体管和量子计算设备等应用成为可能。

该论文的其他作者包括 Yu-Che Chien ’23;Zi-Jie Liu 和 Eric R. Sung，两名在麻省理工学院化学研究生;Alexander von Hoegen，麻省理工学院物理系博士后;加州大学洛杉矶分校的乔纳森·柯蒂斯（Jonathan B. Curtis）和普里内哈·纳朗（Prineha Narang）教授;以及来自上海大学的马晓轩、任伟教授和曹世勋教授。

这项工作主要由美国能源部基础能源科学办公室、罗伯特·韦尔奇基金会和美国陆军研究办公室支持。