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　　近日，我校电子科学与工程学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室严鹏教授课题组在自旋波电子学研究领域取得重要进展。通过研究自旋波-磁涡旋散射中的量子化效应，他们发现三阶非线性相互作用会导致磁子频率梳的形成 （这里，磁子也被称为自旋波的量子）；而旋转对称性会让频率梳的每支谱线携带不同的轨道角动量；满足一定条件下，磁子频率梳中的高阶模会被放大，而低阶模则被束缚在涡核的旋进轨道内。该效应可以类比天文学中粒子从旋转的黑洞中获取能量的过程。研究团队将此效应命名为“磁子彭罗斯超辐射效应”，该研究成果以“Twisted Magnon Frequency Comb and Penrose Superradiance”为题，发表在近期的《Physical Review Letters》。电子科技大学为论文第一完成单位，电子学院王振宇博士为第一作者，严鹏教授为通讯作者。电子学院曹云姗副教授和荷兰乌得勒支大学袁怀洋研究员参与了该工作。

　　最近，涡旋自旋波因其携带轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）的属性引起了学界的广泛关注。磁子的OAM属性为磁子通信提供了一个全新的自由度，携带不同OAM量子数的涡旋自旋波具有正交性，可以用来加载不同的信号，有望提高磁子通信的信道容量，在信息存储、通信和粒子操控等领域具有广阔的应用前景。然而，在构建基于OAM的大容量磁子通信器件方面仍面临着一个重大的挑战，即如何产生携带多OAM、宽频带的涡旋自旋波束。作者们研究了磁性纳米圆盘中涡旋自旋波与涡核旋进模式之间的非线性散射过程，理论分析了涡旋自旋波频率梳产生的条件。他们发现，涡旋自旋波因其独特的旋转对称性要求频率梳模式的形成需要同时满足能量守恒和轨道角动量守恒，即频率梳的最小频率间隔等于涡核的旋进频率，而相邻谱线的轨道角动量相差一个量子数 (ΔΙ=±1)，如图1(a)所示。该工作预言的涡旋自旋波频率梳可以同时携带多OAM，从而有望实现基于OAM的多路复用磁子通信。

　　图1：(a) 涡旋自旋波与旋进涡核之间非线性散射产生的涡旋自旋波频率梳示意图；(b) 涡旋自旋波发生彭罗斯超辐射效应时频率梳谱线的振幅以及模式分布。

　　通过进一步研究，作者们还发现，当涡核的旋进速度大于涡旋自旋波的波前速度时ωg〉ωl/l (这里ωg,ωl分别表示涡核和涡旋自旋波的频率，而l代表涡旋自旋波的OAM量子数)，涡旋自旋波频率梳中的高阶模振幅会被显著放大，而低阶模则被束缚在涡核的旋进轨道内，如图1(b)所示。该放大效应是彭罗斯爵士1969年在研究如何从旋转的黑洞中提取能量时提出的，被称为彭罗斯超辐射。磁子的彭罗斯超辐射效应显著提高了磁子频率梳的平整度 （flatness），有助于磁子频率梳在微波精密测量、磁传感等领域的应用，开辟了利用磁子学模拟旋转黑洞等天文学现象的新思路。

　　近年来，严鹏教授课题组在自旋电子学、拓扑磁动力学、量子磁子学等方面取得了一系列具有国际影响力和应用前景的研究成果，在物理以及学科综合性期刊《Physical Review Letters》《Nature Communications》等发表了60余篇学术论文，应邀为物理学顶尖综述期刊《Physics Reports》撰写了长篇综述文章两篇，撰写及出版了专著2部，分别由斯普林格出版社和英国物理学会出版社出版，主持海外高层次青年人才计划，国家自然科学基金，科技委前沿探索项目等。这些研究成果为发展基于自旋量子调控的新一代自旋波器件以及信息科学技术的可持续发展提供了物理基础。

　　该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及欧盟玛丽居里项目的资助。

　　论文链接：

　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.107203