近日，团队联合山东大学、华中科技大学、中国科学院物理研究所、香港中文大学（深圳）等单位，在《Science China‑Physics, Mechanics & Astronomy》发表特邀综述文章“Emerging nonlinear effects in magnonics: Coherent frequency mixing and multiplication”，系统梳理非线性磁子学领域中相干磁子混频、倍频效应的最新研究进展，剖析三磁子、四磁子散射主导的各类新奇物理效应，并指出当前领域关键挑战与未来发展方向。

磁子是自旋波的量子准粒子，依托自旋角动量实现信息传输与处理，无需电荷输运，具备低功耗、长相干时间等突出优势，被视为后摩尔时代自旋信息器件的重要信息载体。传统磁子学研究大多聚焦线性动力学，磁子之间相互作用微弱。近年来大量理论与实验表明，在强驱动、高温或者非共线磁结构条件下，磁子‑磁子之间会发生显著多体散射，催生非线性磁子学这一新兴分支。非线性效应可以实现频率变换、频谱重构、拓扑输运调控，为开发新型滤波器、信号源、神经形态计算、量子传感器件开辟全新路径，成为自旋电子学的前沿热点方向。

该综述从半经典理论框架出发，系统阐释磁子多体相互作用的微观起源。铁磁体系中，Dzyaloshinskii‑Moriya 相互作用诱发三磁子过程，交换相互作用主导四磁子散射；反铁磁体系由于双子晶格动力学，即便零温条件下也会存在粒子数不守恒的磁子散射过程。文章首先回顾经典的 Suhl 不稳定性与参量泵浦效应，解析铁磁共振功率饱和、磁子参量放大的物理机制，同时介绍跨体系非局域三磁子相互作用等新近实验发现，打破了磁子散射仅局限于单一材料的传统认知。

图1：综述涉及的主要磁子非线性效应。

围绕核心的磁子倍频（频率倍增）现象，综述区分共振型与非共振型二次谐波产生两种物理机制。特别指出，斯格明子、涡旋、磁霍普子等实空间拓扑自旋织构，能够极大增强非线性谐波产生效率。利用拓扑孤子的局域本征模式，以亚谐频率驱动就可以高效激发高频磁子本征态，为低功耗频率变换器件提供新思路，这也和磁霍普子倍频的相关原创工作形成相互呼应。除二次、三次等高次谐波外，不同频率磁子之间的相干混频能够生成磁子频率梳（MFC），类比光学频率梳，在精密探测、频谱生成方面具备巨大潜力。文章分类梳理磁子‑斯格明子散射、涡旋轨道角动量磁子、声子级联、非厄米例外点辅助等多种磁子频率梳产生方案，对比各类方案的阈值、梳齿数量与实验实现条件，总结现有实验观测成果，剖析不同实现路径的优缺点。

文章进一步介绍非线性拓扑磁子自旋霍尔效应。在线性输运范畴，磁子穿过拓扑自旋织构会感受到等效规范场，发生偏转；而三磁子散射带来全新的附加虚拟磁场，仅存在于非线性过程中，可以大幅增大磁子霍尔偏转角，不同混频生成的磁子模式拥有差异化的霍尔响应，将拓扑输运研究拓展到非线性多体范畴。

在动量空间层面，磁子‑磁子相互作用会重整磁子色散关系，造成频率偏移，甚至解除简并、催生全新拓扑能带。综述详细讨论相互作用诱导的拓扑相变，多体效应在狄拉克锥处打开能隙，产生受保护的手性边缘态，形成 “相互作用磁子陈绝缘体”。同时，磁子散射带来的耗散效应，会在狄拉克、外尔简并点附近诱发例外点（EP）与例外线（EL）等非厄米现象，将多体磁子物理与非厄米拓扑紧密结合，丰富磁子能带工程的工具箱。综述结合理论模型与微磁、自旋波仿真结果，对比铁磁、反铁磁体系下的行为差异，分析非线性频移在耦合波导中实现功率可控信号路由、开关器件的应用前景。

展望部分提炼了本领域亟待攻克的若干关键方向：莫尔磁体中的磁子非线性；相互作用驱动的热磁子输运；交错磁体（altermagnet）体系磁子稳定性与非线性响应。综述指出，目前大量新奇非线性磁子现象仍以理论和仿真研究为主，面向器件实用化，还需要解决激发阈值控制、相干性保持、材料缺陷与热扰动抑制、片上集成等现实难题。未来，多学科交叉，结合新材料、微纳加工、自旋探测技术，有望推动非线性磁子效应走向可调滤波器、自旋信号处理器、量子传感器等实际器件应用。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省科技计划、中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11433-026-2949-4