近日，课题组在《Physical Review B》以快讯 (Letter) 形式发表编辑推荐(Editors’ Suggestion) 论文“Magnon‑driven phononic frequency comb in linear elastic media”。该工作提出一种全新物理机制：在完全线性弹性介质中，借助磁子‑声子强耦合，把磁子固有的非线性转移给声子，实现吉赫兹 (GHz) 频段的声子频率梳，突破传统声子频率梳必须依靠弹性介质自身非线性的固有限制，为声子频率梳开辟新的实现范式。

频率梳由一系列等间距、相位相干的谱线构成，光学频率梳已经彻底革新精密计量、光谱测量领域。受光频梳启发，科研人员发展出声子（机械）频率梳，有望用于力学精密测量、纳米传感、量子技术等方向。传统声子频率梳高度依赖弹性材料自身的力学非线性效应，不仅需要很高驱动阈值，还容易进入混沌；受材料耗散与非线性强度制约，绝大多数声子频率梳只能工作在亚兆赫兹 (sub‑MHz) 低频区间，很难达到 GHz 高频，严重限制它在高频器件中的实际应用。

图1：磁子驱动声子频率梳示意图。

针对这一瓶颈，团队另辟蹊径，不利用弹性介质本身的非线性，转而借助磁子的本征非线性，通过磁子‑声子强耦合将非线性效应传递到线性声子体系，在纯粹线性弹性介质上产生声子频率梳。研究选取磁涡旋纳米圆盘作为模型体系：涡旋核拥有本征回旋模式，当磁子与声子色散曲线发生交叉，系统进入强耦合区间，磁子三磁子散射带来的非线性就可以转移至声子自由度，最终在声子频谱上形成梳状谱线，频率梳的梳齿间隔由磁涡旋核的回旋频率直接决定。

研究人员构建完整理论哈密顿量，区分磁子子系统、声子子系统以及磁弹相互作用，解析推导得到系统进入非线性、直至完整声子频率梳形成的两级阈值驱动场。理论分析表明，只有磁子‑声子达到强耦合条件时，非线性转移机制才能生效；耦合强度、吉尔伯特阻尼是决定声子频率梳输出质量的两个关键因素：磁弹耦合越强，梳齿数量与信号幅值越高；阻尼增大会显著抑制频率梳的产生。

团队基于 MuMax3 磁弹耦合微磁仿真开展验证，采用坡莫合金纳米盘的真实材料参数开展数值模拟。仿真结果证实：只有工作在磁子‑声子强耦合的频率窗口内，才能够观测到清晰的 GHz 声子频率梳；偏离该窗口则几乎没有声子梳信号输出。模拟复现两级阈值行为：低于第一阈值，只存在驱动频率和涡旋回旋频率；超过第一阈值出现边带；高于第二阈值，形成完整的多级梳齿结构。仿真谱线幅值变化与理论解析预言高度吻合。同时有限温度模拟表明，即便存在热涨落，该声子频率梳依然可以在室温条件下维持，具备面向实际器件的鲁棒性。

该机制拥有很好的普适拓展性，不局限于涡旋磁盘，原则上可推广到钇铁石榴石 (YIG)、钴基纳米结构，也可以适配纳米线、薄膜等几何构型，兼容斯格明子、双伴子等其他拓扑自旋织构。论文进一步给出实验探测方案，建议利用布里渊光散射（BLS）、压电谱学、时间分辨磁光克尔效应等手段开展实验观测。该方案可将 GHz 声子频率梳与光子、超导量子比特平台互联，为片上混合磁子‑声子‑光子器件提供新的技术路径。

本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、湖北省科技计划等项目资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/7wpz-j544