频率梳是由一系列离散且等间距的频率分量组成的光谱，由于其在计量学、原子钟、光谱学、原子物理学和量子计算中的潜在应用，已在理论和实验上得到了广泛的研究。频率梳最初是在光学领域构想出来的，由于其巨大的成功，=正在吸引其他领域研究者的兴趣，例如磁子学和声子学。最近，研究人员在多个磁系统中发现了由不同音调磁子 (或自旋波) 之间的非线性耦合产生的磁子频率梳 (MFC)。其中，由非线性磁子-斯格明子散射引起的MFC备受关注，因为斯格明子固有的不均匀磁化可以显著增强非线性并促进MFC的产生，而斯格明子本征的呼吸模能提供稳定的梳齿频率间隔。然而，在该方案中，自旋波被斯格明子散射后会分散到整个薄膜的不同方向。此外，磁子非线性拓扑霍尔效应会使得MFC 中的高阶模式产生巨大偏转角。因此，如何有效地引导MFC中的非线性磁子模式仍然是一个突出的挑战。此外，由于MFC的间距完全由斯格明子的呼吸频率决定，梳齿很少，这些因素阻碍了MFC在计量、传感和通信领域的应用。

另一方面，不对称是自然界的主要现象之一，在现代波技术和信号处理的许多重要设备中起着核心作用。对于磁系统中的自旋波，不对称表现为沿两个相反方向传播的自旋波的幅度、频率或相位存在显著差异。一个有待回答的问题是如何使用不对称自旋波传播来增强 MFC，或者反过来。

在这项工作中，我们提出了一种生成和控制 单向MFC 的方案。我们考虑一个斯格明子与两个磁子波导耦合的结构(如图1所示)。其原理与光学中的波导耦合微环腔大致相同：穿过波导的自旋波可以耦合到斯格明子，并激发磁子的回音壁模式 (WGM)。随后，WGM与限制在斯格明子壁中的束缚态磁子发生强烈的三波混合产生MFC。我们的方案依赖两个关键因素：(1) 沿斯格明子壁传播的手性WGM；(2) 无能隙的斯格明子壁磁子束缚态。这不仅可以实现磁子的单向传输，还能同时产生具有创纪录数量的频率梳齿数 (>50) ，并被单向引导到波导的一个输出端。

图 1. (a) 磁子-斯格明子耦合引起的非对称 MFC 示意图。(b) 在斯格明子壁和波导 WG2 的耦合区域中检测到的频率为ω的自旋波之间的相位匹配图，分别以图(a)中的蓝点和紫点标记。

总结起来，我们研究了波导-斯格明子耦合结构中自旋波的单向传输和非线性三磁子过程。斯格明子中的定向WGM 传递两个波导之间的自旋波传输，导致自旋波传播的高度单向性~98%。我们进一步证明了斯格明子壁能显著增强空间受限磁子之间的三波混合，从而促进MFC 的有效产生。在斯格明子泵浦下，由于相位匹配，MFC主要被导向输出波导的一个端口，因此表现出优异的均匀性、稳定性和可调谐性。我们的研究结果加深了对磁子-磁结构之间非线性相互作用的理解，并为探索非对称自旋波传输和磁子频率梳调控开辟了一条新途径。

该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

论文链接：

Nano Lett. 24, 6730 (2024).