非共线磁织构中的磁子高次谐波效应及其相干性 | 进展

自然界中普遍存在着非线性效应，其范围横跨宇宙学的引力波至纳米磁性结构中的自旋波。在众多非线性效应中，高次谐波现象备受瞩目。由于在信息科技领域的应用，研究者们致力于在磁性体系中实现磁子的高次谐波。已有理论计算表明，磁子高次谐波可以在具有拓扑结构的磁织构中发生，例如：磁畴壁、磁斯格明子以及磁涡旋。这是因为较大的磁矩梯度能够引发显著的三磁子过程，而这一过程是产生磁子倍频以及高次谐波的关键。对于拓扑平庸的磁结构，是否存在磁子高次谐波现象，还亟待探索。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心M02、Q04课题组联合电子科技大学“自旋电子学”课题组经过通力合作，在磁子高次谐波研究方面取得重大进展。该团队采用金刚石量子传感技术，在磁性镍铁薄膜中观察到了高达55阶的磁子高次谐波信号。联合团队在该现象的产生机制，外磁场依赖关系，量子调控应用等方面展开了原创研究。

在精心设计的单畴结构和多畴结构两组样品中，联合团队均探测到磁子高次谐波效应，表明其产生与磁畴边界处磁矩的动态翻转并无直接关联。通过理论计算和微磁学模拟，团队揭示了非线性自旋波产生于样品边缘处的非共线磁性结构。联合团队利用高阶自旋波驱动金刚石NV电子自旋拉比振荡，首次成功展示了磁子高次谐波具有优良的相位相干性。这项研究展示的非共线磁结构诱导的相干磁子高次谐波现象，为基于磁子的信息处理器件奠定了基础有望应用于宽频磁信号的探测。

图：相干磁子高次谐波产生与探测示意图

上述研究成果以“Coherent harmonic generation of magnons in spin textures”为题发表在《自然·通讯》[G. B. Lan, K.-Y. Liu, Z. Y. Wang, P. Yan, G.-Q. Liu, X. F. Han, and G. Q. Yu, et. al., Nat. Commun.16, 1178 (2025).]上。 中国科学院物理研究所于国强研究员、刘刚钦研究员和电子科技大学严鹏教授为该论文的通讯作者； 中国科学院物理研究所兰贵彬博士生、刘康远硕士(已毕业)和电子科技大学王振宇博士(现为湖南大学副教授)为该论文的共同第一作者。 中国科学院物理研究所韩秀峰研究员、潘新宇研究员以及日本东北大学Gerrit Bauer教授对本工作提供了大力指导和支持。 该研究受国家自然科学基金、科技部重点研发计划和中国科学院等项目的资助。

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