光学频率梳指的是一系列离散的、等频率间隔的像梳子形状光谱。完善的光学频率的产生机制于2000年被引入，其以一种简单实用的方式将无线电和光学领域连贯地结合在一起。它开辟了许多新的可能性，如光学原子钟、超低噪声微波、超短脉冲的载波包络相位控制，以及从太赫兹到极紫外辐射的相干合成等。频率梳技术被广泛认为是精密测量历史上具有革命性意义的进展，因而获得了2005年的诺贝尔物理学奖，也促进了阿秒激光物理的发展（2023年诺贝尔物理学奖）。光频梳所带来的巨大价值也促使研究者们在其他体系中探索频率梳存在的可能性，如声子和磁子（自旋波的量子）体系。在2014年，研究者从理论上预测了声子频率梳的存在，并在2017年进行了实验验证。最近，吉赫兹频段携带自旋角动量和轨道角动量的磁子频率梳也被理论预言 [Phys. Rev. Lett. 127, 037202 (2021); Phys. Rev. Lett. 129, 107203 (2022)]和实验证实 [Appl. Phys. Lett. 121, 112404 (2022)]。

与吉赫兹波不同，太赫兹频段的波通常具有极高的时间和空间分辨率。将其与不同领域的技术相结合，可以实现该技术原本无法单独实现的目标。例如通过将太赫兹技术和成像技术相结合可以事实检测不同组分之间的超快反应过程，利用太赫兹波的穿透性可以实现对样品物态的无损探测。而将其与自旋电子学相结合，则可以实现超快自旋动力学，提高自旋电子学器件的响应速度和灵敏度。因此，将磁子频率梳拓展到太赫兹的频率波段并实现更高频段的精准探测是磁子学中极为重要的研究方向。

幸运的是，磁子本身就具有极其宽广的频率的范围，即从铁磁体系的吉赫兹自旋波到反铁磁体系中的太赫兹自旋波。在该工作中，我们研究了反铁磁磁子的非线性散射，预测了太赫兹频段的磁子频率梳。

图1: (a) 反铁磁斯格明子和磁子的非线性散射。(b) 入射自旋波及其倍频。(c), (d) 不同激发场下的磁子频率梳。

以反铁磁自旋波和斯格明子的相互作用为例 [图1(a), (b)]，通过注入线偏振自旋波使其与斯格明子呼吸模发生非线性三磁子过程。这一过程在磁体系中的重复发生，促使了一系列差频和合频模式的产生，在太赫兹的频率空间上形成了等距离间隔的梳齿，即太赫兹磁子频率梳 [图1(c), (d)]。与铁磁体系不同，反铁磁自旋波具有偏振的全自由度，这使其可以形成任意偏振的磁子频率梳而非单一的右旋圆偏振频率梳。此外，这不同于吉赫兹磁子频率梳只能存在于特定的频率范围内, 太赫兹磁子频率梳在相当宽的驱动频率范围内都可见 [图2(a)]。这由三磁子耦合强度对频率的线性依赖决定 [图 2(b)]。

图2: (a) 不同入射自旋波频率下的磁子频率梳。(b) 不同磁子模式强度以及三磁子耦合系数随入射自旋波频率的变化。

在该工作中我们还提出了实验方案来观测反铁磁磁子和斯格明子性散射中涌现的非线性拓扑磁子霍尔效应[Phys. Rev. Lett. 131.166704 (2023) (Editors’ Suggestion)] (图3)。

图3: 非线性磁子拓扑霍尔效应的实验测量方案。

这项工作预言了反铁磁磁子-斯格明子的非线性散射所诱导的太赫兹磁子频率梳，首次结合太赫兹技术和磁子频率梳的优点，拓展了磁子频率梳的频率范围，使其能够应用于超快自旋电子学器件，并促进反铁磁体系中非线性磁子学的发展。

此项研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.108.134427